电容传感器的原理及应用

2.2改变介质介电常数的电容传感器

图2是2种改变介质介电常数的电容式传感器的原理图。图2(a)常用来检测液位的高度，图2(b)常用来检测片状材料的厚度和介电常数。

图2(a)中由圆筒1和圆柱2构成电容器两极，假定部分浸入被测量液体中(液体应不能导电，若能导电，则电极需作绝缘处理)。这样，极板间的介质由2部分组成：空气介质和液体介质，由此而形成的电容式料位传感器，由于液体介质的液面发生变化，从而导致电容器的电容C也发生变化。这种方法测量的精度很高，且不受周围环境的影响。总电容C由液体介质部分电容C1和空气介质部分电容C2两部分组成：

x — 电容器浸入液体中的深度;

R — 同心圆电极的外半径;

r — 同心圆电极的内半径;

ε1 — 被测液体的介电常数;

ε2 — 空气的介电常数。

当容器的尺寸和被测介质确定后，则h，R，r，ε1和ε2均为常数，令：

这说明，电容量C的大小与电容器浸入液体的深度x成正比。

图2(b)是在一个固定电容器的极板之间放入被测片状材料，则他的电容量为：

式中：S — 电容器的遮盖面积;

d1 — 被测物体上侧至电极之间的距离;

d2 — 被测物体的厚度;

d3 — 被测物体下侧至电极之间的距离;

ε1 — 被测物体上侧至电极之间介质的介电常数;

ε2 — 被测物体的介电常数;

ε3 — 被测物体下侧至电极之间介质的介电常数。

由于d1+d3=d-d2，且当ε1=ε3时，式(5)还可写为：

式中d — 两极板之间的距离。

显然，在电容器极板的遮盖面积S，两极板之间的距离d，被测物体上下侧至电极之间介质的介电常数ε1和ε3确定时，电容量的大小就和被测材料的厚度d2及介电常数ε2有关。如被测材料介电常数ε2已知，就可以测量等厚教材料的厚度d2;或者被测材料的厚度d2已知，就可测量其介电常数ε2。这就是电容式测厚仪和电容式介电常数测量仪的工作原理。