电容式传感器的原理及应用

通过电气测量测量非电量时，必须先将测量的非电量转换为电量然后输入。通常，将非电量转换为电量的组件称为转换器;根据不同的非电量设计的相关转换装置称为传感器，并且将测量的机械量（例如位移，力，速度等）转换成具有电容变化的A传感器称为电容传感器。 电容式传感器的工作原理是通过改变机械量来改变信号转换，改变电容器中的个参数。根据变化电容的参数，有三种类型的电容传感器：电容式传感器的原理和应用1.改变板的屏蔽区域的电容式传感器图1是三个这种传感器的示意图。在图1（a）中，角位移用于改变电容器板的屏蔽区域。假设两个板被覆盖的区域是S，板之间的距离是d，并且板之间的介质的介电常数是ε;忽略边缘效应时，电容器的电容为：如果其中个板旋转＆θ;相对于另个角度，板块之间的相互覆盖是：可以看出，该电容的变化值与角位移成比例，角位移用于测量角位移。在图1（b）中，线位移用于改变电容器板的隐藏区域。如果初始条件板被覆盖，则覆盖区域S=ab，并且当两个板相对移位x时，板的覆盖区域变为S=b（a-x）。当介电常数和板距离恒定时，电容为：可以看出，该电容的变化值与线位移x成比例，并且他用于测量各种线位移。图1（c）所示的电容器转换器是图1（b）所示电容器的变体。使用这种Z字形电的目的是增加传感器的灵敏度。如果锯齿数是n，则尺寸不会改变，如图1（b）所示。当移动齿相对于固定齿移动位移x时，可以获得：比较等式（2）和（3），灵敏度提高了n倍。电容式传感器的原理和应用2.改变电介质介电常数的电容式传感器图2是改变电介质的介电常数的两个电容传感器的示意图。图2（a）通常用于检测液位的高度，图2（b）通常用于检测片材的厚度和介电常数。在图2（a）中，电容器的两由圆筒1和圆筒2构成，假设该部分浸没在待测液体中（液体不应导电，如果是导电时，电需要绝缘）。因此，板之间的介质由两部分组成：空气介质和液体介质，并且由此产生的电容水平传感器由于液体介质的液面的变化而改变液体介质的电容C.该方法非常，不受周围环境的影响。总电容C由液体介质部分电容器C和空气介质部分电容器C组成：x＆mdash;电容器浸入液体的深度;R＆mdash;同心电的外半径;＆mdash;同心电的内半径;＆小量; ＆MDASH;待测液体的介电常数;＆小量; ＆MDASH;空气的介电常数。h当确定容器和测量介质的尺寸时，h，R，r，＆epsilon;和＆epsilon;是常量，这样：这表明电容C的大小与浸入液体中的电容器的深度x成比例。图2（b）显示测得的片状材料放置在固定电容器的板之间，其电容为：地点：S＆mdash;电容器的覆盖面积;d＆mdash;从被测物体的上侧到电的距离;d＆mdash;待测物体的厚度;d＆mdash;从物体下面到电的距离;＆epsilon; ＆MDASH;介质的介电常数介于被测物体的上侧之间;＆epsilon; ＆MDASH;待测物体的介电常数;＆epsilon; ＆MDASH;介质的介电常数在待测物体的下侧之间。由于d + d=d-d，当＆epsilon==ε时，等式（5）也可以写成：d＆mdash;板之间的距离。显然，电容器板的屏蔽区域S，两个板之间的距离d，介质的介电常数在被测物体的上下两侧之间的电和ε;和＆epsilon;当确定时，电容的大小和测量的材料的厚度d和介电常数ε;例如，已知待测材料的介电常数和ε，并且可以测量诸如智能锅炉液位计的厚材料的厚度d;或者，待测材料的厚度d是已知的，并且可以测量介电常数ε。这就是电容式厚度计和电容式介电常数计的工作原理。 电容式传感器的原理和应用3.改变板间距离的电容式传感器图3是这种传感器的示意图，图3（a）由两块板组成，其中板2是固定板，板1是连接到待测物体的可动板，并且可以上下移动。当板之间的屏蔽区域为S时，板之间介质的介电常数为ε;当初始板间距为d时，初始电容C为：当可移动板1通过待测物体移位到固定板2时，Δ电阻C为：当电容器的可移动板1移动小时，即＆Δ; d 测量范围并减少非线性误差，经常制作差动电容和变压器桥组合结构，如图3（b）所示。两侧是固定电板1和2，可动板3由弹簧片支撑在中间。两个固定板与变压器的两端和交流电源U连接，可动板连接端子和变压器的中间抽头端子在传感器的输出端，输出电压＆Δ; U变为活动板移动。如果可移动板的初始位置是来自两个固定板的d，则固定板1和可移动板3之间的初始电容在固定板2和可移动板3之间是相等的，如果是C.当可移动板3时在待测物体的作用下移动到固定板2上; d，中间可动板与两侧固定板之间的距离为：从上面的推导可以看出，可动板和两个固定板构成电容器：当他们制造差分电容和变压器桥组合结构时，等效电容为：尽管电容的变化量仍然是非线性的，但是位移和Δd，系列中的偶数项被消除，从而提高了线性度。当（在少量检测中，如线膨胀测量等，般可以满足这个条件），省略高阶项，你得到：比较等式（9）和（7），灵敏度增加了两倍。比较方程（10）和（8）表明在处，非线性误差将大大减小。