变面积型电容传感器的工作原理和应用

变面积型电容传感器是将被测参数转化为极板面积的变化，从而使电容量发生变化。根据结构的不同，变面积型电容传感器可分为三种类型，即板状线位移变面积型、角位移变面积型和筒状线位移变面积型；另外还包括中间极移动式和差动变面积型电容传感器。

1）板状线位移变面积型

如图3.7所示，设动极板相对定极板沿长度l0方向平移了Δl，则电容变为

图3.7　板状线位移变面积型电容传感器

所以，传感器的输出呈线性，其测量量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移，而且，增大b0和减小δ0可提高灵敏度。

2）角位移变面积型

如图3.8所示，当动极板有一角位移θ时，动极板与定极板之间的覆盖面积改变，从而改变了两极板间的电容量。

图3.8　角位移变面积型电容传感器

当θ=0时，初始电容：

当θ≠0时

则电容的相对变化为

所以，角位移变面积型电容传感器，其电容量的变化ΔC与角位移θ呈线性关系。

3）筒状线位移变面积型

如图3.9所示，在初始位置（即Δl＝0）时，动极板和定极板相互覆盖，此时的电容量为

图3.9　筒状线位移变面积型电容传感器

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4）中间极移动式变面积型电容传感器

对于变面积型电容传感器，在改变两极板覆盖面积的过程中，必须保证初始极距δ0精确不变，否则将导致测量误差。由极距变化导致的电容量变化为

为了减小由于极距δ0的变化而带来的误差影响，可采用中间极移动式变面积型电容传感器。

如图3.10所示，中间极移动式变面积型电容传感器的定极板由两块极板1、2组成，它们的位置固定，电气上短路相通。动极板位于两定极板之间，则输出电容相当于两个电容C1和C2的并联。设初始时，活动极板位于中心位置，δ1＝δ2＝δ0，动极板相对于定极板移动后的极板有效长度为l，则

图3.10　中间极移动式变面积型电容传感器

假设在变面积移动过程中，发生微小的极距变化Δδ，则δ1＝δ0－Δδ，δ2＝δ0＋Δδ，此时的电容为

所以，与式（3.33）比较可知，由极距变化Δδ带来的测量误差减小了。

5）差动结构的变面积型电容传感器

变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低，因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。

图3.11所示是测量角位移用的典型差动结构变面积型电容传感器，其中图（a）是扇形平板结构，图（b）是柱面形结构。极板A和B为同一平（柱）面内形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板，动极板C平行于极板A和B，并在自身平（柱）面内绕O点摆动，从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。动极板C的初始位置必须保证与极板A和B的初始电容值相同，即

图3.11　差动结构变面积型电容传感器

扫描下图可浏览AR资源——扇形平板结构差动变面积型电容传感器。

式中　δ0——极板间垂直距离；

α——初始位置时一组极板相互覆盖有效面积所包含的角度。

当动极板C随角位移Δα而摆动时，两组电容值一增一减，差动输出