备课资料：电容器在传感技术中的应用

1、二、电容器在传感技术中的应用电容器，在无线电中的应用是人们所熟知的.此外，人们还利用电容器的电容随参数变化而改变的特性，将电容器作为敏感元件，制成电容式传感器，用于生产和生活中许多非电变化量的自动检测，这也是电容器众多应用领域中的一个重要方面.电容式传感器的测量过程是信息的被采集与转换过程.通过敏感元件和配用电路的操作，可以将被测量转换成易于处理和显示的电信号，其转换过程大致如下：待测变化量电容变化量电压（或电流或频率）变化量.从引起电容变化的参量来划分，电容式传感器有三种基本类型：（1）变间隙式；（2）变面积式；（3）变介电常数式.下面就分别简单地介绍一下它们的工作原理及应用.（一）变间隙测

2、位移原理对平板电容器，不考虑边缘效应时有C=，其中为介质介电常数，A为极板面积，d为极板间隙.在变间隙式电容传感器中，当敏感元件的其他参数不变而d随有线位移的被测体同步变化时，C是间隙改变量d的单值函数.为了提高灵敏度及减小测量误差，实际应用中，变间隙式传感器多采用一种有中间活动极板的电容器作敏感元件，如图3（a）所示.图3（b）为原理图.图3当活动极板在平衡位置时，有d1=d2=d0;C1=C2=C0=设活动极板由于被测体的移动有向下位移d时，d1=d0+d,使得C1减少，C1=C0-C1C1=C0d2=d0-d,使得C2增加，C2=C0+C2C2=C0在有效测量范围内，总有dd0，利用台劳

3、级数展开C1、C2，有C1=C01-+()2-()3+C2=C01+()2+()3+则敏感元件总的电容变化量与极板间隙的变化量关系为：C2-C1=C2-C1=2C01+（）2+(）4+这是一个非线性的表达式.如前所述，传感器中，由于电容变化量不容易显示，利用配用电路，可将电容变化量转换为电压信号.将有活动极板电容C1、C2（如图4所示）作为配用电路的相邻桥臂时，就可以将电容的变化（实际反映的是位移的变化）转变为电桥的输出电压U0，现分析如下：图4当C1=C2=C0时，电桥处于平衡状态，U0=0.当C1、C2如图变化时，由电路计算可知：U0=UA-UB=U-U =U=U利用C2-C1表达式及C1

4、、C2展开式U0=U U为电源电压可见，敏感元件本身对位移的转换虽然是非线性的，但是通过电容器在桥路中的接法被称之为差动接法，最终转换的输出信号却是线性的结果.这也是为何采用差动接法的原因了.变间隙式一般测量位移的范围小，大约在零点零几微米到零点几微米之间.（二）变面积测角度原理图5为变面积式传感器的一种结构形式以及极板形状.当差动电容的活动极板随被测物体转动时，就改变了它与两个固定极板之间的有效面积，使得上下两个等效电容发生大小相等，极性相反的变化.此时待测非电量为角位移.图5设活动极板在初始位置时对上、下两固定极板完全对称，有C0=Q0，Q0为初始位置时角度.当有角位移Q变化时，C=C1-

5、C2=2Q=2C0即电容变化为角度的单值函数，且为线性.（三）变介电常数测液位原理变介电常数式传感器，利用被测物体的介质的变化，将液位变化转变成电容的变化来测量.图6为变介电常数式圆筒电容传感器示意图及等效电路图.图6利用圆柱面的轴对称性及高斯定律，可求出圆柱面电容器的电容一般表达式为：C= l为柱长圆筒电容器的等效电路相当于三个电容并联，C1为不随液面高度变化的杂散电容（包括导线分布电容）C2为液面上部介质常数为r0的电容C2=C3为介质常数为r1的液体的电容，C3=总的等效电容为C=C1+C2+C3=C1+r0H+(r1-r0)h.令C1+H=C0表示圆筒电容器的电容初始值.又令 (r1-

6、r0)=K为灵敏系数.在数值上K=，其物理意义为电容相对被测液面高度变化的改变速率.表示式 C=C0+Kh给出了圆筒电容与液面高度变化的线性关系.（四）电容式传感器的特点及发展电容式传感器不仅能测位移、角度、液位，还能测量诸如振动、加速度、荷重等其他物理量.与其他传感器相比，其结构相对简单，灵敏度较高，无自热现象，动态响应好，环境适应能力强及过载能力强等特点，使其在检测中应用广泛.但电容式传感器中分布电容的影响会造成工作状态的不稳定和误差，这是限制电容式传感器应用的主要障碍.研究表明，改进传感器的关键在于配用电路.近年来，对传统电容式传感器的改进主要有几种途径：1.利用微机控制系统参与对输入传感器的信息进行处理，以提高抗干扰性能；2.采用电荷及电压平