電容傳感器的原理及應用

2.2改變介質介電常數的電容傳感器

圖2是2種改變介質介電常數的電容式傳感器的原理圖。圖2(a)常用來檢測液位的高度，圖2(b)常用來檢測片狀材料的厚度和介電常數。

圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構成電容器兩極，假定部分浸入被測量液體中(液體應不能導電，若能導電，則電極需作絕緣處理)。這樣，極板間的介質由2部分組成：空氣介質和液體介質，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質的液面發生變化，從而導致電容器的電容C也發生變化。這種方法測量的精度很高，且不受周圍環境的影響。總電容C由液體介質部分電容C1和空氣介質部分電容C2兩部分組成：

x — 電容器浸入液體中的深度;

R — 同心圓電極的外半徑;

r — 同心圓電極的內半徑;

ε1 — 被測液體的介電常數;

ε2 — 空氣的介電常數。

當容器的尺寸和被測介質確定后，則h，R，r，ε1和ε2均為常數，令：

這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。

圖2(b)是在一個固定電容器的極板之間放入被測片狀材料，則他的電容量為：

式中：S — 電容器的遮蓋面積;

d1 — 被測物體上側至電極之間的距離;

d2 — 被測物體的厚度;

d3 — 被測物體下側至電極之間的距離;

ε1 — 被測物體上側至電極之間介質的介電常數;

ε2 — 被測物體的介電常數;

ε3 — 被測物體下側至電極之間介質的介電常數。

由于d1+d3=d-d2，且當ε1=ε3時，式(5)還可寫為：

式中d — 兩極板之間的距離。

顯然，在電容器極板的遮蓋面積S，兩極板之間的距離d，被測物體上下側至電極之間介質的介電常數ε1和ε3確定時，電容量的大小就和被測材料的厚度d2及介電常數ε2有關。如被測材料介電常數ε2已知，就可以測量等厚教材料的厚度d2;或者被測材料的厚度d2已知，就可測量其介電常數ε2。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數測量儀的工作原理。