面积型电容式传感器设计与优化

变面积型电容式传感器是通过改变极板间覆盖的面积来改变电容变化量的传感器。常用的有角位移型和线位移型两种。

图4-5 变面积型电容式传感器

1—动极板 2—定极板 3—外圆筒 4—内圆筒 5—导轨

图4-5a所示是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图4-5b所示是同心圆筒形变面积型电容式传感器。外圆筒3不动，内圆筒4在外圆筒内做上、下直线运动。图4-5c所示是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。变面积型电容式传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。

1.线位移型变面积型电容式传感器

线位移型变面积型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。

图4-6所示是变面积型电容式传感器原理结构示意图。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为

式中 ——初始电容。

电容相对变化量为

很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系。

传感器的灵敏度可用下式求得

由式可见，增加极板长度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。

2.角位移变面积型电容式传感器(www.xing528.com)

图4-7所示是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积A就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则

图4-6 变面积型电容式传感器原理结构示意图

图4-7 电容式角位移传感器原理图

式中 ε_r——介质相对介电常数；

d₀——两极板间距离；

A₀——两极板间初始覆盖面积。

当θ≠0时，则

从公式可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。

其灵敏度为

在实际使用中，可增加动极板和定极板的对数，使多片同轴动极板在等间隔排列的定极板间隙中转动，以提高灵敏度。