電容傳感器的原理及應用

3改變極板間距離的電容傳感器

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

當活動(dòng)極板1在被測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。其相對非線(xiàn)性誤差為：

顯然，這種單邊活動(dòng)的電容傳感器隨著(zhù)測量范圍的增大，相應的誤差也增大。在實(shí)際應用中，為了提高這類(lèi)傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線(xiàn)性誤差，常做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結構，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(zhù)活動(dòng)極板運動(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。當活動(dòng)極板3在被測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)極板到兩側的固定極板的距離分別為：

由上述推導可知，活動(dòng)極板和2個(gè)固定極板構成電容分別為：

當他們做成差動(dòng)式電容器及互感器電橋組合結構時(shí)，其等效電容為：

雖然電容的變化量仍舊和位移Δd成非線(xiàn)性關(guān)系，但是消除了級數中的偶次項，使線(xiàn)性得到改善。當時(shí)(在微小量檢測中，如線(xiàn)膨脹測量等，一般都能滿(mǎn)足這個(gè)條件)，略去高次項，得：

比較式(9)和式(7)可見(jiàn)，靈敏度提高了1倍。

比較式(10)和式(8)可見(jiàn)，在1時(shí)，非線(xiàn)性誤差將大大下降。