電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì)，電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量為式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度;D為外筒電極的直徑;d為內(nèi)筒電極的直徑;e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。

在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的，故測(cè)得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測(cè)量變化將導(dǎo)致電容器電容量變化，通過測(cè)量電路，可把電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。測(cè)知電信號(hào)的大小，可判斷被測(cè)量的大小。這就是電容式傳感器的基本工作原理。

電容式傳感器工作原理由物理學(xué)可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為(F)式中—真空的介電常數(shù)，=8.854×10-12F/m;ε—極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，在空氣中，ε=1;S—極板的遮蓋面積(m2);δ—兩平行極板間的距離(m)。上式表明，當(dāng)被測(cè)量δ、S或ε發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。

電容式傳感器的分類及原理

以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器進(jìn)行位移測(cè)量。

(1).變極距式電容傳感器

空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器的工作原理圖。其中一個(gè)電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d響應(yīng)變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測(cè)出電容量的變化量⊿C，便可測(cè)得極板間距變化量，即動(dòng)極板的位移量⊿d。

為改善這種情況，可采用差動(dòng)變極距式電容傳感器，這種傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。它有三個(gè)極板，其中兩個(gè)固定不動(dòng)，只有中間極板可產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)中間活動(dòng)極板處于平衡位置時(shí)，即d1=d2=do，則C1=C2=Co，如果活動(dòng)極板向右移動(dòng)⊿d,則d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對(duì)變化。

不難看出，變極距式電容傳感器改成差動(dòng)之后，不但非線性誤差大大減小，而且靈敏度也提高了一倍。

(2).變面積式電容傳感器

變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)電極構(gòu)成，其中一個(gè)為固定極板，另一個(gè)為可動(dòng)極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質(zhì)不變(即電介質(zhì)常數(shù)不變)，當(dāng)兩極板完全重疊時(shí)，其電容量為

Co=⊿A/d

當(dāng)動(dòng)極板繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)α角時(shí)，兩極板的對(duì)應(yīng)面積要減小⊿A，則傳感器的電容量就要減小⊿C。如果我們把這種電容量的變化通過諧振電路或其它回路方法檢測(cè)出來，就實(shí)現(xiàn)了角位移轉(zhuǎn)換為電量的電測(cè)變換。

電容式位移傳感器的位移測(cè)量范圍在1um—10mm之間，變極距式電容傳感器的測(cè)量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測(cè)量精度較高，其分辨率可達(dá)0.3um。

電容感器可用來測(cè)量直線位移、角位移,振動(dòng)振幅(可測(cè)至0.05μm的微小振幅),尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量,還可用來測(cè)差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量點(diǎn)介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號(hào)發(fā)生器。

當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí),往往采用單電極式變極距型電容傳感器,這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極,另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。航空航天、汽車制造、石油化學(xué)、燒磚、陶瓷、表面處理、大氣環(huán)境、環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱、食品、飲料、高科技、曖通、工業(yè)、冶金、氣象、計(jì)量、軍事、制藥、造紙等行業(yè)都有用到。