3.1 电容式传感器详解.ppt

概念:电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 特点：结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。 应用：位移、加速度、液位、振动及湿度等。 第一节 工作原理及结构形式 一、基本工作原理 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图所示。两个平行板组成的电容器的电容量为： 当被测参数变化使得式中的A,ε或d发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。 因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 改变平行极板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。 变极距(d)型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l) 二、结构形式 1、变极距（间距）型电容传感器（非线性） 极板面积为A，初始距离为d0，以空气为介质（er=1），电容器的电容为 若电容器极板距离初始值 d0减小Dd，其电容量增加DC，即 由上式，电容的相对变化量为 因为 ，按幂级数展开得 略去非线性项（高次项），则得近似的线性关系式 而电容传感器的灵敏度为 电容式传感器灵敏度系数K的物理意义是：单位位移引起的电容量的相对变化量的大小。 略去高次项（非线性项）引起的相对非线性误差为 可见极间距越小，既有利于提高灵敏度，又有利于减小非线性。但 d0过小时，容易引起电容器击穿。在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动结构。改善击穿条件的办法是在极板间放置云母片等介电材料。 A、差动变间隙式的电容传感器 在差动式电容传感器中，其中电容器C1的电容随位移Δd的减小而增大时，另一个电容器C2的电容则随着Δd的增大而减小。 它们的特性方程分别为 总的电容变化量 电容的相对变化量为 略去高次项,近似成线性关系 差动电容式传感器的灵敏系数为 差动电容式传感器的相对非线性误差近似为 差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。 B、加入高介电常数材料-防止击穿 减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经常在两极板间加一层云母或塑料等介质，以改变电容的耐压性能。由此构成如图所示的固定介质与可变间隙式电容传感器。 由关系 , , , 当空气隙减小 ，使电容增加 ，有 电容的相对变化量为 当N1Δd1/（d1+d2）１，即位移很小时，上式按幂级数展开可写成 式中d1+d2=d 略去高次项可近似得到 可见N1为非线性因子，若增大N1，非线性增加。设固定介质与可变间隙电容式传感器的灵敏度系数为 同时，N1又是灵敏度因子，并且作为灵敏度因子与非线性因子是相互制约的。 如图所示曲线，厚度比（d2/d1）为自变量，固定介质的介电常数e2作参变量，看影响灵敏度和线性度的因子N1的变化。 因为e2总是大于1的，所以N1总是大于1的。又因为e21，随厚度比d2/d1增加，N1增加。在d2/d1很大时，N1的极限为e2，在d2/d1不变时，随e2增加，N1增加。 2、变面积型电容传感器 板状线位移变面积型 A、线位移式电容传感器 极板起始覆盖面积为A = a×b，沿活动极板长度方向移动Δa，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为 电容的变化量为 灵敏度为 灵敏度系数KC为常数，可见减小极板的起始