电容式传感器工作原理（二）：变面积型与变介质型

电容式传感器工作原理（二）：变面积型与变介质型

本部分详细阐述了变面积型和变介质型电容式传感器的工作原理、数学推导及输入-输出关系特性。

变面积型电容式传感器

角位移变面积型

角位移变面积型电容式传感器的两块极板均为半月形。当动极板有一个角位移 $\theta$ 时，有效覆盖面积变为 $A=A_0(1-\theta /\pi )$，其中 $A_0=\pi r^2/2$。电容量为：

传感器的电容改变量 $\Delta C$ 与角位移 $\theta$ 成线性关系。

总结

变面积型电容式传感器的电容改变量与输入量（线位移、角位移）总是成线性关系。变面积型电容式传感器也可接成差动形式，灵敏度同样会加倍。

变介质型电容式传感器

变介质型电容式传感器利用不同介质的介电常数各不相同，通过介质的改变来实现对被测量的检测。典型介质的相对介电常数见表5-2。

平板结构

串联型

串联型结构可认为是上下两个不同介质电容式传感器的串联。介质改变后的电容改变量为：

电容改变量与所加介质的介电常数 ${\epsilon }_1$ 成非线性关系。

并联型

并联型结构可认为是左右两个不同介质电容式传感器的并联。介质改变后的电容改变量为：

电容改变量与所加介质的相对介电常数 ${\epsilon }_1$ 成线性关系。

圆筒结构

圆筒结构变介质型电容式传感器常用于液位测量。电容改变量为：

电容改变量 $\Delta C$ 与被测液位的高度 $h$ 或介质的相对介电常数成线性关系。

总结

变介质型电容式传感器的电容改变量与输入量可能成线性关系，也可能成非线性关系：并联型平板结构和圆筒结构（相当于并联型）的电容改变量与介质的相对介电常数成线性关系，串联型平板结构的电容改变量与介质的介电常数成非线性关系。

变极距型

（本部分内容在后续文档中展开）

思考题

试画出差动变面积型电容式传感器的结构，并分析其电容量及灵敏度变化情况。