荆仁旺

    (西安微电机研究所710077)

 

    【摘  要】电容式传感器具有许多独特的优点，是当今传感器技术的重要发展方向之一，具有广阔的应用前景。文中介绍电容式传感器的工作原理、结构、测量线路及制造工艺特点。

    【叙词】传感器电容式传感器角度传感器原理结构测量线路

    电容式角度传感器具有结构简单、体积小、输出线性好、灵敏度高、转动惯量小、适于动态测量及抗恶劣环境性能好等一系列特点。特别适合用于高精度陀螺仪及高精度摆式加速度计。作为摆动电机（有限转角电动机）的优选位置传感器，受到充分重视。在红外成像、激光标识、激光雷达、军事瞄准及大气监测等系统中得到广泛应用，是当前传感器的重要发展方向之一。

    电容传感器的基本工作原理是基于物体间的电容量与其结构参数之间的关系。电容器的电容是构成电容器的两电极形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。

    对于******的平板电容器，如图l所示，不考虑边缘电场影响时，其电容量为：c=εs/δ-f(ε，δ，s)

式中e-介质的介电常数

    s -极板的面积

    δ-极板间的距离

   

    因此，只要有任何物理量变化，不管是直接的还是间接的，部能使电容器的任一参数产生相应改变，从而引起电容器变化，即可通过一定的测量线路将其转换为有用的信号输出，据此判定物理量的变化，这就是电容传感器的基本工作原理。

    电容传感器的输出是电容的变化量。根据工作原理，传感器可分为变间隙式、变面积式及变介电常数式三种。

    变间隙式：一般用来测量微小的线位移（小至百分之一微米到零点几毫米），如材料膨胀及大地震动等。

    变面积式：一般用来测角位移（1至几十度）或较大的线位移。

    变介电常数式：常用于固体或液体的物位测量，也用于测定各种介质的湿度、密度等状态参数。

    显然，其他物理量，如压力、速度、加速度、力、应力等，只要能转换为机械位移变化的，均可制成相应的电容式传感器。因此，电容传感器具有极为宽广的应用领域。

    电容式角度传感器通常采用变面积方式，图2为平板型电容式角度传感器的结构原理图。

   

    当传感器动极板与定极板有角位移咿时，两极板的相互覆盖面积随口的变化而变化，传感器的电容值随之发生相应变化，变化量为：

可见，传感器的输出特性为线性特性．其灵敏度：

  这种传感器还可以做成差动结构，如图3所示。初始位置应使动极板与两定傲板处于对称位置，动极板与定极板构成一对差动电容器。当动极板移动时，一个电容器的电容c增加，另一个电容器的电容c则减少，此时：

    较之单个式电容传感器，其值增加一倍。

    此外，极板的形状逐可以做成圆弧状或锯齿状．如图4所示。

   

    电容式角度传感器主要用于有限范围的角度检测（一般为0度^180度）。当然，也可以作转角连续测量，此时，极板做成锯齿状，随着定极板和动极板的相对运动，传感器提供一定的周期性的电容脉冲信号，即所谓的电容编码器。