传感器详解—电容式传感器

今天来说另一种传感器——电容式传感器。顾名思义,就是将被测物测变化(非电量)转换为电容量变化的一种传感器。

1、优势

电容式传感器相比之前讲到的电阻等传感器,有如下优势:

  • 所需输入能量极小,所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题。例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力非常髙,能感受0.001μm甚至更小的位移;

  • 温度稳定性好。传感器的电容值一般与电极材料无关,有利于选择温度系数低的材料, 又因本身发热极小,对稳定性影响甚微;

  • 结构简单,易于制造,可以做到非常小;

  • 可以在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作;

  • 可以实现非接触测量,不用再跟电阻传感器一样粘贴在被测件上,可以减小工作表面粗糙 等对测量的影响。

2、原理与分类

把电容传感器简化后,其实就是两块极板+电容极板间的介质。我们可以先看看电容量(C)的公式:
C=εA/d
ε:电容极板间介质的介电常数;
A:两平行板正对面积;
d:两平行板间的距离
上述三个值的变化都会引起电容的变化,因此根据三个不同因素的变化,电容传感器分成了三种:
变介电常数型:根据介电常数(ε)的变化来观测到电容变化,进一步检测被测体数值的传感器;
变面积型:通过改变两平行板正对面积(A)来检测被测物的传感器;
变极距型:通过改变两平行板间距离(d)来进行检测的传感器。

3、应用场景

在工程应用中,这三类传感器一般测试比如力、加速度、液位、位移、厚度、不同种类物质的鉴别、转角等范围。
比如:
电容式加速度传感器的加速度测定时,利用被测体加速导致极板间隙发生变化完成检测;电容测厚传感器则是将极板布置在板材两侧,极板的厚度产生变化,电容也会相应改变。

其中,极距变化型因为极板间距离25-200um范围间,而最大的位移应小于间距的1/10,测试过程中动态特性好,灵敏度和精度较高(精度可达纳米级),所以极距变化型传感器在微位移测量中应用最广。除微小线位移外,还可测量由于力、压力、振动等引起的极距变化。
变面积型传感器则是一般用来测量角位移或较大的线位移
变介电常数型传感器可用来鉴别材质,也可对介质的温度、密度、湿度进行测定

4、其他

在实际检测中,电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,小到还不能直接被仪表显示,也很难被记录接收。因此这时候还是需要专用的测量电路来检出这一微小增量,并且将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率等。至于测量电路总共有好几种,这里就不一一展开了。

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