关于电容量,下列说法正确的是
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也称:电容值
电容量既可由定义式 C=Q/U 描述,又由平行板决定式 C=ε₀εᵣS/d 决定,后者表明改变面积、介电常数或极距即可把被测量转换为电容变化,其中变极距型因 C=C₀/(1−Δd/d₀) 而呈非线性。
电容器储存电荷的能力用电容量 C 表示。定义式为
其中 Q 为极板带电量,单位 C;U 为两极板间电压,单位 V;C 的单位为 F。该式说明电容量是电荷与电压之比,是普遍定义,不涉及电容器具体结构。
对于极板间为均匀介质的平行板电容器,忽略边缘效应时,电容量由结构参数决定:
其中 S 为两极板相对覆盖面积,单位 m²;d 为极板间距,单位 m;ε 为极板间介质的介电常数,单位 F/m;ε₀ 为真空介电常数,ε₀≈8.85×10⁻¹² F/m;εᵣ 为相对介电常数,无量纲。该式称为决定式,说明电容大小由面积、间距和介质共同决定。
平行板间加电压后形成近似均匀电场,电场线由一极板指向另一极板。极板面积 S 越大,能容纳的电场线越多,储存电荷能力越强,C 越大;极板间距 d 越大,同样电压下电场越弱,极板上聚集的电荷越少,C 越小;介质相对介电常数 εᵣ 越大,介质在电场中极化越强,在固定自由电荷下使总电场减弱;若电压保持不变,则总电场仍约为U/d,极板需要容纳更多自由电荷,C 越大。因此 C 与 ε₀εᵣS 成正比,与 d 成反比。
设初始极距为 d₀,初始电容为
当动极板向定极板靠近位移 x 时,极距变为 d₀−x,电容为
若用 Δd 表示极距缩小量,则
该式表明 C 与 Δd 不是线性关系。以 Δd 为横轴、C 为纵轴画曲线,曲线随 Δd 增大而向上弯曲,斜率逐渐增大,即越靠近定极板灵敏度越高。相同极距改变量 Δd 在不同初始位置引起的 ΔC 不同,靠近时 ΔC 更大。
由上式可得电容增量为
相对变化量为
当 Δd≪d₀ 时,可近似为
此时 ΔC 与 Δd 近似线性,且 ΔC≈C₀Δd/d₀。这说明变极距型传感器只在小位移、小变化量条件下才可近似按线性处理。
C=Q/U 是电容量的定义式,适用于任何电容器,用于说明电容的物理意义,不能直接说明结构参数如何影响电容。C=ε₀εᵣS/d 是平行板电容器的决定式,只在忽略边缘效应、介质均匀、极板平行的条件下适用,用于分析面积、间距、介质变化如何转换为电容变化。传感器分析中,被测量通过改变 S、εᵣ 或 d 引起 C 变化,依据的是决定式;测量电路把 C 的变化转换为电压、电流或频率输出,依据的是定义式及电路关系。
初始电容 C₀ 是传感器在初始工作点(如 d=d₀、S=S₀、介质未改变)时的电容量。变化量 ΔC=C−C₀ 表示被测量引起的电容绝对改变。相对变化量 ΔC/C₀ 表示电容改变的相对程度,便于比较不同初始电容的传感器灵敏度。对变极距型,ΔC/C₀=Δd/(d₀−Δd);对变面积型,ΔC/C₀ 与位移或角位移成线性关系。
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关于电容量,下列说法正确的是
变极距型电容式传感器,动极板靠近定极板时,其电容与极距变化量的关系是
当极距变化量 远小于初始极距 时,电容相对变化量可近似为