电容式传感器在电路中的应用原理是什么？

电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为ε的电解质时，两圆筒间的电容量为式中L为两筒相互重合部分的长度;D为外筒电极的直径;d为内筒电极的直径;e为中间介质的电介常数。

在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，由于被测量变化将导致电容器电容量变化，通过测量电路，可把电容量的变化转换为电信号输出。测知电信号的大小，可判断被测量的大小。这就是电容式传感器的基本工作原理。

电容式传感器工作原理由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为(F)式中—真空的介电常数，=8.854×10-12F/m;ε—极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1;S—极板的遮盖面积(m2);δ—两平行极板间的距离(m)。上式表明，当被测量δ、S或ε发生变化时，会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。

电容式传感器的分类及原理

以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。

(1).变极距式电容传感器

空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。其中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。

为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化。

不难看出，变极距式电容传感器改成差动之后，不但非线性误差大大减小，而且灵敏度也提高了一倍。

(2).变面积式电容传感器

变面积式电容传感器结构，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变(即电介质常数不变)，当两极板完全重叠时，其电容量为

Co=⊿A/d

当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。

电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。

电容感器可用来测量直线位移、角位移,振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅),尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量,还可用来测差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量点介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。

当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时,往往采用单电极式变极距型电容传感器,这时被测物是电容器的一个电极,另一个电极则在传感器内。航空航天、汽车制造、石油化学、烧砖、陶瓷、表面处理、大气环境、环境实验箱、食品、饮料、高科技、暧通、工业、冶金、气象、计量、军事、制药、造纸等行业都有用到。