变间隙型电容传感器应用和特点

1）基本特性

变间隙型电容传感器是将被测参数转化为极板间距δ的变化，从而使电容量发生变化。由式（3.1）可知，电容量C与极板间距δ不是线性关系，而是如图3.3所示的双曲线关系。

由图3.3可定性地看到，当间隙变化范围Δδ限制在远小于极板间距δ的区间内，即当Δδ≪δ时，可把ΔC与Δδ的关系近似地看成是线性关系。

图3.3　电容量与极板间距的关系

下面对电容量与极板间距的关系作定量分析。

假设电容器的初始极距为δ0，则初始电容量C0为

这时，C与Δδ呈近似线性关系，所以改变极板距离的变间隙型电容传感器，往往是设计成Δδ在很小的范围内变化。

由式（3.4）得电容相对变化量

由此可见，灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，因此，在设计时可通过减小δ0的办法提高灵敏度。一般电容式传感器的起始电容为20～30 pF，极板间距离为25～200 μm，最大位移（Δδmax）应小于极板间距的1/10。

②考虑线性项和二次项，则

式（3.8）的特性如图3.4中的曲线1，而式（3.10）的特性如图3.4中的曲线2。

图3.4　变间隙型电容传感器的非线性特性

当以曲线2作为传感器的特性曲线使用时，其相对曲线1的非线性误差为(www.xing528.com)

因此，|Δδ/δ0|越小，则ef越小，即只有在Δδ/δ0很小时（小测量范围），才有近似的线性输出。

由以上分析看到，要提高传感器的灵敏度，就需减小极板初始极距δ0，但δ0的减小，一方面会导致非线性误差ef增大，另一方面，δ0过小还容易引起电容器击穿。改善电容器击穿条件的方法是在极板间放置云母片，构成有介电层的变间隙型电容传感器。

2）有介电层的变间隙型电容传感器

在电容器的两极板之间增加一层云母片等高介电常数的材料作介电层，以改善电容器的工作条件，提高传感器的灵敏度。

如图3.5所示，设两种介质的相对介电常数分别为εr1和εr2，通常εr1＝1，为空气介质，相应的两种介质的厚度为δ1和δ2，此时电容C变为

图3.5　放置云母片的电容器

对于云母片，εr2＝7，即其相对介电常数为空气的7倍，击穿电压不小于103kV，而空气的击穿电压为3 kV，即使厚度为0.01 mm的云母片，它的击穿电压也不小于10 kV。因此，有了云母片，极板之间的起始距离δ0可以大大减小。同时，式（3.13）中的分母项δ2/εr2是恒定值，它能使传感器输出特性的线性度得到改善，只要云母片的厚度选取得当，就能获得较好的线性关系。

3）差动式变间隙型电容传感器

在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素（如电源电压、环境温度等）对测量的影响，常将传感器做成差动的形式，其原理如图3.6所示。

图3.6　差动式电容传感器原理图

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动极板位于两个定极板1、2之间，与定极板1、2之间的间隙分别为δ1和δ2。当动极板上下移动时，与两个定极板形成的电容一个增大，而另一个减小，这样可消除外界因素造成的测量误差。