Емкостные сенсоры.

Не менее широко для создания сенсоров используют изменения электроемкости чувствительных элементов под влиянием факторов, которые надо контролировать. На рис. 8.7, в качестве примера, в продольном сечении показан цилиндрический конденсатор, в котором внутренний цилиндрический электрод 1 может двигаться вдоль оси цилиндра относительно внешнего цилиндрического электрода 2.

Электрическая емкость цилиндрического конденсатора, как известно, описывается формулой

(8.3)

где – электрическая постоянная; и – радиусы внутренней и внешней обкладок конденсатора; – длина зоны взаимодействия цилиндров. Поэтому в достаточно широком диапазоне емкость пропорциональна длине , т.е. является линейной функцией перемещения сердцевины.

Электрическая емкость плоского конденсатора описывается, как известно, формулой

8.4)

де – площадь его пластин; – расстояние между ними; – диэлектрическая проницаемость материала между пластинами. Изменение любой из этих величин приводит к изменению емкости и таким образом может быть зафиксировано.

Расстояние между пластинами конденсатора обычно невелико (миллиметры или доли мм). Поэтому даже совсем небольшие изменения этого расстояния приводят к заметному изменению электрической емкости. На этом принципе работают емкостные сенсоры миллиметровых, микронных и даже субмикронных перемещений, которые, как уже отмечалось в предыдущих лекциях, можно применить для выявления и измерения вибраций, дифференциального или абсолютного давления и т.п.

Можно отслеживать и фиксировать динамику изменений уровня жидкости, обнаруживать непредвиденные быстрые изменения и сигнализировать о них, чтобы своевременно известить о несанкционированных отборах жидкости, ликвидировать неисправности вентилей или разгерметизацию.

Диэлектрическая проницаемость среды между пластинами конденсатора может изменяться не только с изменением температуры, но и в зависимости от других факторов. И соответственно будет изменяться емкость конденсатора. Если между пластинами конденсатора поместить, например, гигроскопичный диэлектрик, то его диэлектрическая проницаемость существенно зависит от влажности. Такой конденсатор можно использовать для создания емкостного сенсора влажности сыпучих материалов, например, грунта, сахара, муки, алебастра и т.д.

В тонко- и толстоплёночных емкостных сенсорах чаще всего используют изменения емкости между двумя вставленными друг в друга гребенчатыми электродами. Такая конструкция обеспечивает максимальную чувствительность на малой площади. Избирательность такому чувствительному элементу придает нанесенная поверх гребенчатых электродов пленка. Именно от её состава и структуры зависит то, молекулы каких именно веществ будут избирательно в ней сорбироваться, и как будет меняться при этом ее диэлектрическая проницаемость.