电容式传感器课件大学课件解析.ppt

* * * * * * * 电容式传感器 电容式传感器 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 优点：● 结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作； ● 可非接触测量； ● 灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量； ● 极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度； 缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。 电容式传感器的工作原理及结构类型 电容式传感器的应用 电容式传感器的工作原理及结构类型 一、工作原理及结构类型 二、变间隙式电容传感器 三、变面积式电容传感器 四、变介电常数式电容传感器 五、电容式传感器的分类 六、电容式传感器的输出特性 一、工作原理及结构类型 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。 多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应，电容器的电容量 ： S ——两平行极板所覆盖的面积； D ——两平行极板之间的距离； ? ——极板间介质的介电常数； ?0 ——真空介电常数（8.854×10-12 F?m-1） ?r ——介质相对真空的介电常数， ?r空气≈1，其它介质?r 1。 当被测量使得S 、d 或? 发生变化时，电容量C 也随之变化。一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。 电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介电常数式。 （a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式； （g）、（h）变介电常数式 二、变间隙式电容传感器 初始电容 当?dd0时，可简化为 这时?C 与?d 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成?d 在极小的范围内变化。此外由曲线图可以看出，d0 越小，灵敏度越高。灵敏度 若电容器极板距离由初始值 d0 变化了?d ，d1 = d0±?d ，其电容量 一般电容式传感器的起始电容在20~30pF 之间，极板距离在25~200 ?m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。此类电容传感器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测0.01?m 的线位移。 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式。当动极板移动后，C1 和C2 成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。差动式可使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。 差动式平板电容器中, 当动极板位移Δd时, 电容器C1的间隙d1变为d0-Δd, 电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则 电容值相对变化量： 灵敏度提高一倍, 非线性误差大大降低。 三、变面积式电容传感器 包括角位移和线位移（平面线位移、圆筒线位移） 变面积式电容传感器输入输出成线性关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。 1. 角位移 当动极板有一个角位移θ时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ＝0 时，则 当θ≠0时，则 这种形式的传感器电容量C与角位移θ是成线性关系的。 灵敏度： 2. 平面线位移 极板起始覆盖面积为S＝a×b， 沿活动极板宽度方向移动?x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边缘效应，改变后的电容量为 初始电容： ?C与?x成线性关系 增加极板长度b、减小极板间距d都可以提高灵敏度K ； 减小极板宽度a可提高相对灵敏度KC ，而极板起始覆盖长度b与相对灵敏度KC 无关。但a不能太小，必须保证a》d ，否则边缘不均匀电场影响将增大。 相对灵敏度 灵敏度 灵敏度、相对灵敏度均为常数。 平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距 d 变化，影响测量精度。因此在一般情况下，变面积式电容传感器常做成圆筒形的。 右图为齿形极板，也是变面积式电容传感器。可增加遮盖面积，提高分辨率和灵敏度。 当极板的齿数为n时， 灵敏度为 为单极板的n倍。 移动?x后 四、变介电常数式电容传感器 （a）图为测电介质厚度?x；（b）图为测位移量x；（c）图为测液面位置和液量；（d）图为根据介质的介电常数随温度、湿度、