電容傳感器的原理及應(yīng)用

3改變極板間距離的電容傳感器

圖3是這類傳感器的原理圖，圖3(a)由2塊極板構(gòu)成，其中極板2為固定極板，極板1為與被測(cè)物體相連的活動(dòng)極板，可上下移動(dòng)。當(dāng)極板間的遮蓋面積為S，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε，初始極板間距為d0時(shí)，則初始電容C0為：

當(dāng)活動(dòng)極板1在被測(cè)物體的作用下向固定極板2位移Δd 時(shí)，此時(shí)電容C為：

當(dāng)電容器的活動(dòng)極板1移動(dòng)極小時(shí)，即Δd

這時(shí)電容器的變化量ΔC才近似地和位移Δd成正比。其相對(duì)非線性誤差為：

顯然，這種單邊活動(dòng)的電容傳感器隨著測(cè)量范圍的增大，相應(yīng)的誤差也增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測(cè)量范圍和減小非線性誤差，常做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。兩邊是固定的電極板1和2，中間由彈簧片支承的活動(dòng)極板3。2個(gè)固定極板與互感器兩端及交流電源U相連接，活動(dòng)極板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓ΔU隨著活動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)而變化。若活動(dòng)極板的初始位置距2個(gè)固定極板的距離均為d0，則固定極板1和活動(dòng)極板3之間 ，固定2和活動(dòng)極板3之間的初始電容相等，若令其為C0。當(dāng)活動(dòng)極板3在被測(cè)物體作用下向固定極板2移動(dòng)Δd時(shí)，則位于中間的活動(dòng)極板到兩側(cè)的固定極板的距離分別為：

由上述推導(dǎo)可知，活動(dòng)極板和2個(gè)固定極板構(gòu)成電容分別為：

當(dāng)他們做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)時(shí)，其等效電容為：

雖然電容的變化量仍舊和位移Δd成非線性關(guān)系，但是消除了級(jí)數(shù)中的偶次項(xiàng)，使線性得到改善。當(dāng)時(shí)(在微小量檢測(cè)中，如線膨脹測(cè)量等，一般都能滿足這個(gè)條件)，略去高次項(xiàng)，得：

比較式(9)和式(7)可見，靈敏度提高了1倍。

比較式(10)和式(8)可見，在1時(shí)，非線性誤差將大大下降。