一、引言

 

電容傳感器是將被測的非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器

，它不僅能測量荷重
、位移、振動、角度

、加速度等機械量，還能測量液麵、料麵、成分含量等熱工參量。這種傳感器具有高阻抗、小功率
、動態範圍大、動態響應較快、幾乎沒有零漂
、結jie構gou簡jian單dan和he適shi應ying性xing強qiang等deng優you點dian。因yin此ci
，電dian容rong傳chuan感gan器qi在zai自zi動dong檢jian測ce技ji術shu中zhong占zhan有you很hen重zhong要yao的de地di位wei，並bing得de到dao廣guang泛fan的de應ying用yong。但dan它ta在zai使shi用yong過guo程cheng中zhong也ye存cun在zai一yi些xie問wen題ti：

 

 

二、靈敏度的問題

 

由兩平行板組成的一個電容器，若忽略其邊緣效應，其電容量可用下式表示：

 

 

式中
，S為極板相互遮蓋麵積，單位為m2;d為兩平行板間的距離，單位為m;ε為極板間介質的介電常數;εr極板間介質的相對介電常數;ε0真空的介電常數。從上式可以看出，當d小時可使電容量增大，而使靈敏度增加

，但d過小容易引起電容器擊穿，一般我們可以采取在極板間放置雲母來改善，此時電容C為兩電容串聯，可寫成：

 

 

式中，ε1雲母片的介電常數;ε2空氣的介電常數;d0為氣隙寬度;d為兩極板間的距離。雲母的介電常數為空氣的7倍，雲母的擊穿電壓不少於103kv/mm，空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm。厚度僅為0.01mm的雲母片，它的擊穿電壓也不小於10kv/mm
，因yin此ci有you了le雲yun母mu片pian，極ji板ban之zhi間jian的de距ju離li可ke大da大da減jian小xiao，還hai能neng使shi電dian容rong傳chuan感gan器qi輸shu出chu特te性xing的de線xian性xing得de到dao改gai善shan。提ti高gao靈ling敏min度du除chu了le采cai用yong加jia雲yun母mu片pian的de方fang法fa外wai，還hai可ke以yi采cai取qu以yi下xia措cuo施shi：

 

1.提高電源頻率。

 

2.減小極板厚度可削弱邊緣效應。

 

三、電容傳感器中一些量的變化範圍

 

在變極間距離的電容傳感器中，由於減小極間距離可以提高靈敏度
，多用來測量微米級的位移
，一般極板間距離不超過1mm，最大位移量應限製在間距的1/10範圍內;在(zai)變(bian)極(ji)板(ban)工(gong)作(zuo)麵(mian)積(ji)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)中(zhong)，可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)厘(li)米(mi)級(ji)的(de)位(wei)移(yi)。在(zai)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)中(zhong)，正(zheng)確(que)選(xuan)擇(ze)電(dian)容(rong)的(de)大(da)小(xiao)是(shi)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)。合(he)理(li)的(de)設(she)計(ji)既(ji)可(ke)以(yi)使(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)滿(man)足(zu)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)的(de)要(yao)求(qiu)，又(you)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)，減(jian)小(xiao)非(fei)線(xian)性(xing)誤(wu)差(cha)。一(yi)般(ban)其(qi)電(dian)容(rong)的(de)變(bian)化(hua)在(zai)103PF～104PF範圍內，相對值ΔC/C的變化則在10-6～1範圍內。電容元件輸出阻抗一般在108Ω～106Ω，該數值還與所采用的交流電源頻率有關。為了減小絕緣電阻的影響和提高靈敏度，電源頻率一般采用在50kHz以上

，但是采用高頻電源使信號放大
、傳輸等問題比低頻時複雜的多。

 

四

、分布電容的影響問題

 

電容傳感器一個很關鍵的問題是分布電容電容量與傳感器電容量相比不僅不能忽略
，而且影響還極其嚴重
，其後果是造成傳輸效率降低
、靈敏度下降、測量誤差增加及穩定性變差。近幾年來
，對此問題有了新的解決途徑。其中“整體屏蔽法”就是一例，以差動電容傳感器為例

，說明整體屏蔽法，在下圖中
，CX1、CX2為差動電容，U為電源

，A為放大器
，整體屏蔽法是把整個電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來
，設計的關鍵點在於接地點的合理設置。采用把接地點放在兩個平衡電阻R1、R2之間與整體屏蔽共地，這樣，傳感器公用極板與屏蔽之間的分布電容C1與放大器的輸入阻抗並聯，從而可把C1視作放大器的輸入電容。由於放大器的輸入阻抗有極大值
，C1的並聯也不希望存在

，但它隻影響靈敏度而已，另外兩個分布電容C3

、C4並聯在橋臂R1、R2shang，huiyingxiangdianqiaodechushipinghenghezhengtilingmindu
，bingbuyingxiangdianqiaodezhengchanggongzuo。yinci，fenbucanshuduichuanganqidianrongdeyingxiangjibenxiaochu
，zhengtipingbifashijiejuedianrongchuanganqifenbudianrongwentidehenhaofangfa，quedianshishijiegoufuza。

 

圖1 消除分布電容的工作電路圖

 

五、非線性問題

 

變間隙式電容傳感器相對輸出表達式為：

 

 

由上式可知變間隙式電容傳感器相對輸出與輸入為非線性關係。由於Δd/d<<1
，工程上常采用以下兩種近似處理方法的辦法：

 

1.近似線性處理：即取上式右邊第一項近似，有：

 

 

2，近似非線性處理：即取相對輸出表達式的前兩項近似，有：

 

 

上述兩種近似產生的相對非線性誤差為：

 

 

以上分析說明，相對非線性誤差r0與間隙d0也(ye)成(cheng)反(fan)比(bi)例(li)關(guan)係(xi)
，因(yin)此(ci)提(ti)高(gao)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)減(jian)小(xiao)非(fei)線(xian)性(xing)誤(wu)差(cha)是(shi)相(xiang)矛(mao)盾(dun)的(de)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，為(wei)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)矛(mao)盾(dun)，大(da)都(dou)采(cai)用(yong)差(cha)動(dong)式(shi)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)。