电容式传感器的组成

    (一) 基本概念

    电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感器元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后在经转换电路转换成电压电流或频率等信号输出的测量装置。

    (二) 主要特点

    (1) 结构简单、易于制造。

    (2) 功率小、阻抗高、输出信号强。由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此在信号检测过程中，只需施加较小的作用力就可以获得较大的电容变化量及高阻抗的输出信号。

    (3) 动态特性良好。由于这种传感器极板之间的静电引力很小，工作时需要的作用能量也很小，在加上可动体的质量很小，因此具有较高的固有频率和良好的动态响应特性。

    (4) 受本身发热影响小。电容式传感器的绝缘介质多为真空、空气或其他气体，由于介质损耗比较小，因此其本身的发热对传感器的影响实际上可以不加考虑。

    (5) 可获得比较大的相对变化量。电容式传感器与高线性的电路连用时，相对变化量可近似达到100%，给检测工作带来了极大的方便。

    (6) 能在比较恶劣的环境中工作。由于电容式传感器的组件一般都不用有机材料或磁性材料制作，因此传感器在高低温或强辐射等环境中都能正常工作。

    (7) 可进行非接触式测量。当被测物有不能受力或高速运动或表面不允许划伤等情况时，电容式传感器可进行非接触测量，并且具有较好的平均效应。

    (8) 电容式传感器不足之处。主要是寄生电容影响较大; 输出阻抗比较高，负载能力相对比较大; 输出为非线性。

    (三) 电容传感器的结构

    电容式传感器是将被测量 (如尺寸、压力等) 的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上，它本身 (或和被测物) 就是一个可变电容器。

    以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理 (如图3－1)。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

    图3－1 压力传感器

    式中: ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10－12F/m;

    S——极板的遮盖面积，m2;

    ε——极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1;

    δ——两平行极板间的距离，m。

    上式表明，当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。