电容传感器的原理及应用

之间的距离d，被测物体上下侧至电极之间介质的介电常数ε1和ε3确定时，电容量的大小就和被测材料的厚度d2及介电常数ε2有关。如被测材料介电常数ε2已知，就可以测量等厚教材料的厚度d2;或者被测材料的厚度d2已知，就可测量其介电常数ε2。这就是电容式测厚仪和电容式介电常数测量仪的工作原理。

3改变极板间距离的电容传感器

图3是这类传感器的原理图，图3(a)由2块极板构成，其中极板2为固定极板，极板1为与被测物体相连的活动极板，可上下移动。当极板间的遮盖面积为S，极板间介质的介电常数为ε，初始极板间距为d0时，则初始电容C0为：

当活动极板1在被测物体的作用下向固定极板2位移Δd 时，此时电容C为：

当电容器的活动极板1移动极小时，即Δd<

这时电容器的变化量ΔC才近似地和位移Δd成正比。其相对非线性误差为：

显然，这种单边活动的电容传感器随着测量范围的增大，相应的误差也增大。在实际应用中，为了提高这类传感器灵敏度、提高测量范围和减小非线性误差，常做成差动式电容器及互感器电桥组合结构，如图3(b)所示。两边是固定的电极板1和2，中间由弹簧片支承的活动极板3。2个固定极板与互感器两端及交流电源U相连接，活动极板连接端子和互感器中间抽头端子为传感器的输出端，该输出端电压ΔU随着活动极板运动而变化。若活动极板的初始位置距2个固定极板的距离均为d0，则固定极板1和活动极板3之间 ，固定2和活动极板3之间的初始电容相等，若令其为C0。当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动Δd时，则位于中间的活动极板到两侧的固定极板的距离分别为：

由上述推导可知，活动极板和2个固定极板构成电容分别为：

当他们做成差动式电容器及互感器电桥组合结构时，其等效电容为：

虽然电容的变化量仍旧和位移Δd成非线性关系，但是消除了级数中的偶次项，使线性得到改善。当时(在微小量检测中，如线膨胀测量等，一般都能满足这个条件)，略去高次项，得：

比较式(9)和式(7)可见，灵敏度提高了1倍。

比较式(10)和式(8)可见，在1时，非线性误差将大大下降。