第四节 电容式传感器的应用

一、电容式压力传感器

图3-21为差动电容式压力传感器的结构图。其中，金属膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。

当被测压力或压力差作用于金属膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。

此种差动电容式压力传感器结构简单，灵敏度高，线性好，响应速度快（约100ms），能测微小压差（0～0.75Pa），并减少了由于介电常数受温度影响引起的温度不稳定性。

二、电容式加速度传感器

电容式加速度传感器的结构如图3-22所示，它有两个与壳体绝缘的固定极板1和5，中间有一用弹簧片支撑的质量块4，由两根弹簧片3支承，置于壳体2内。质量块4的两个端面A、B经过磨平、抛光后作为可动极板。弹簧较硬，使系统的固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工作状态。

当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C₁、C₂产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。

电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快，量程范围大，大多采用空气或其他气体作阻尼物质。

三、差动式电容测厚传感器

电容测厚传感器用来实现对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理如图3-23所示，是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C₁、C₂。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C=C₁+C₂。如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。

四、电容式液位传感器

电容式液位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的原理进行测量的一种变介质型电容传感器。图3-24是电容式液位传感器原理图。测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。当罐内放入被测物料时，由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，此变化值的大小与被测物料在罐内的高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。

传感器的静电电容可表示为

式中，K为比例常数；ε_s为被测物料的介电常数；ε₀为空气的介电常数；D为储罐的内径；d为电极直径；h为被测物料的高度。

假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C₀，放入物料后传感器静电电容为C₁，则两者之间的电容差为

由式（3-35）、式（3-36）可见，两种介电常数之间的差别越大，极径D和d相差越小，传感器的灵敏度就越高。