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第4章 电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。 4.1 工作原理、结构和特性 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0 (8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关： C =ε0εrA/δ ?????????????????????????????? (4-1) 若被测量的变化使式中δ、A、εr三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型 。 4.1.1 变极距型电容传感器  图4.1为这种传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数，初始极距为δ0 ，由式(4-1)可知其初始电容量C0为 略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为 ?? ????????????????????????????????????????????? (4-6) 和????????????????????????????? ? (4-7) 如果考虑式(4-5)中的线性项及二次项，则 ?????????????????????????????????????? (4-8) 由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0| 很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移检测中应用最广。 由式(4-9)可见, δ0的减小会导致非线性误差增大；δ0过小还可能引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质，如图4.4所示。设两种介质的相对介电质常数为εr1 (空气：εr1＝1)、εr2，相应的介质厚度为δ1、δ2，则有 相对非线性误差ef′为 4.1.2.变面积型电容传感器 　　 原理结构如图4.6所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度ｌ0方向平移Δｌ时，则电容为  ??????????????????????????????????? (4-14) 4.1.3变介质型电容传感器  这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。 图4.8为原理结构。图(a)中两平行极板固定不动，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。由式(4-1) 4.2 特点和应用中存在的问题 4.2.1 特点 Ⅱ.结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。 Ⅲ.动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10－5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。 3.静电引力? 电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。 4.寄生电容 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(几pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联(见图4.9)，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而