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由物理学知识可知,在忽略边缘效应的情况下,平板电容器的电容量为
式中,——真空的介电常数,=;
ε——极板间介质的相对介电系数,在空气中,ε=1;
础——极板的重合面积,尘?;
δ——两平行极板间的距离,尘。
上式表明,当被测量δ,础或ε发生变化时,都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变,仅改变另一个参数,就可以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叁种,其中极距变化型和面积变化型的应用较广泛。
伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器是指将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的一种传感器。实际上,它本身(或和被测物体)就是一个可变电容器。
伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器可以直接测量的非电量为:直线位移、角位移及介质的几何尺寸(或称物位),直线位移及角位移可以是静态的,也可以是动态的,例如是直线振动及角振动。用于上述叁类非电参数变换测量的变换器一般说来原理比较简单,无需再作任何预变换。
用来测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等量的传感器,往往采用单极式变间隙伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器,使用时常将被测物作为传感器的一个极板,而另一个电极板在传感器内。近年来已采用这种方法测量油膜等物质的厚度。这类传感器的动态范围均比较小,约为十分之几毫米左右,而灵敏度则在很大程度上取决于选材、结构的合理性及寄生参数影响的消除。精度达到0.1μm,分辨力为0.025μm。可以实现非接触测量,它加给被测对象的力极小,可忽略不计。
测物位的传感器多数是采用电容式传感器作转换元件。电容式传感器还可用于测量原油中含水量、粮食中的含水量等。
当伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器用于测量其他物理量时,必须进行预变换,将被测参数转换成d,S或ε的变化。例如在测量压力时,要用弹性元件先将压力转换成d的变化。
伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器有如下一些特点:
①结构简单;
②动作时需要能量低,由于带电极板间静电吸引力很小(约几个N),因此伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器特别适宜用来解决输入能量低的测量问题;
③动态特性好,伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器的相对变化量只受线性和其它实际条件的限制,如果使用高线性电路时,电容变化量可达100%或更大;
④自然效应小;
⑤动态响应快以及能在恶劣的环境下工作。但由于伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器的初始电容较小,受引线电容、寄生电容的干扰影响较大;另一方面伯恩斯坦叠贰搁狈厂罢贰滨狈电容传感器输出特性为非线性。