变面积型电容式传感器

此类电容式传感器也由动极板和定极板组成，其在保持两极板的极距d和极板间介质ε不变的情况下，使极板间的遮盖面积A随被测量的变化而变化，从而使电容C发生变化。变面积型电容式传感器的线性度较好，但是灵敏度较低，通常用于角位移的测量，其原理如图7．6（a）所示，其动极板和定极板都为半圆弧形状；变面积型电容式传感器也可用于大的直线位移测量，其原理如图7．6（b）所示。

图7．6 变面积型电容式传感器

对于角位移式变面积型电容式传感器，当初始角位移θ＝0时，极板间的遮盖面积为

式中 r——圆弧状极板的半径。

则初始电容为

式中 ε——极板间介质的介电常数；

d0——极板间的极距。

当角位移θ≠0时，则电容变为

角位移式电容传感器的灵敏度系数为

而对于直线位移式结构，当初始位移Δx＝0时，初始电容为

当位移Δx≠0时，电容值变为

因而直线位移式电容传感器的灵敏度系数为

由式（7．20）和式（7．23）可知，变面积型电容式传感器的电容量C与角位移θ或直线位移Δx呈线性关系（实际上由于边缘效应问题，变面积型电容式传感器仍存在一定的非线性），这种形式的电容式传感器的灵敏度为常数。增大初始电容量C0，即减小d0或增大极板边长b，都可以提高传感器的灵敏度，但是在实际情况下，d0值的减小要受电场强度的限制，而b值的增大要受电容器结构的限制，因此变面积型的灵敏度比变极距型要小，同时，a值不宜过小，否则会因边缘电场效应的增强而影响线性度。此外，由于平板型传感器的动极板稍有极距方向的移动就会影响测量精度，因此，一般情况下将变面积型电容式传感器做成如图7．7所示的圆柱形。

为了提高测量的灵敏度，变面积型电容式传感器也可以采用差动结构，如图7．8所示，当图中的动极板向上移动时，上边的电容C1增大，下边的电容C2减小，两者变化的大小相等而符号相反，反之亦然。将上、下两个电容器接到差动电桥形成差动结构后，传感器的灵敏度提高了1倍，并能有效克服温度等环境因素变化的影响。

图7．7 圆柱式变面积型电容式传感器

图7．8 差动变面积型电容式传感器