第四節 電容式傳感器的應用

一、電容式壓力傳感器

圖3-21為差動電容式壓力傳感器的結構圖。其中，金屬膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構成差動電容器。

當被測壓力或壓力差作用于金屬膜片并產生位移時，所形成的兩個電容器的電容量一個增大，一個減小。該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。

此種差動電容式壓力傳感器結構簡單，靈敏度高，線性好，響應速度快（約100ms），能測微小壓差（0～0.75Pa），并減少了由于介電常數受溫度影響引起的溫度不穩定性。

二、電容式加速度傳感器

電容式加速度傳感器的結構如圖3-22所示，它有兩個與殼體絕緣的固定極板1和5，中間有一用彈簧片支撐的質量塊4，由兩根彈簧片3支承，置于殼體2內。質量塊4的兩個端面A、B經過磨平、拋光后作為可動極板。彈簧較硬，使系統的固有頻率較高，因此構成慣性式加速度計的工作狀態。

當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，質量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質量塊在垂直方向產生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發生變化，一個增加，一個減小，從而使C₁、C₂產生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。

電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快，量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質。

三、差動式電容測厚傳感器

電容測厚傳感器用來實現對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理如圖3-23所示，是在被測帶材的上下兩側各置放一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構成了兩個電容器C₁、C₂。把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C=C₁+C₂。如果帶材的厚度發生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋將電容的變化測出來，經過放大即可由電表指示測量結果。

四、電容式液位傳感器

電容式液位傳感器是利用被測介質面的變化引起電容變化的原理進行測量的一種變介質型電容傳感器。圖3-24是電容式液位傳感器原理圖。測定電極安裝在罐的頂部，這樣在罐壁和測定電極之間就形成了一個電容器。當罐內放入被測物料時，由于被測物料介電常數的影響，傳感器的電容量將發生變化，此變化值的大小與被測物料在罐內的高度有關，且成比例變化。檢測出這種電容量的變化就可測定物料在罐內的高度。

傳感器的靜電電容可表示為

式中，K為比例常數；ε_s為被測物料的介電常數；ε₀為空氣的介電常數；D為儲罐的內徑；d為電極直徑；h為被測物料的高度。

假定罐內沒有物料時的傳感器靜電電容為C₀，放入物料后傳感器靜電電容為C₁，則兩者之間的電容差為

由式（3-35）、式（3-36）可見，兩種介電常數之間的差別越大，極徑D和d相差越小，傳感器的靈敏度就越高。