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第四章 电容式传感器 电容式传感器是将被测物理量转换为电容变化的一种转换装置,实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、物位、压力、成份分析、介质特性等方面的测量。 基本工作原理及分类 以平行板电容为例(如图4.1),如果不考虑其边缘效应,其电容量为 (4.1) 式中: ——极板间介质的相对介电常数,空气介质 ; ——真空介电常数 ; ——二平行极板覆盖面积; ——极板间距离。 显然,电容量 是 、 、 的函数。如果保持其中两个参数不变,只改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此,电容式传感器分为极距变化型,面积变化型,介质变化型三类。 在实际使用中,通常保持其中两个参数不变,而只变其中一个参数,把该参数的变化转换成电容量的变化,通过测量电路转换为电量输出。 电容式传感器可分为三种: 变极板间距离的变极距型 改变极板面积的变面积型 改变介质介电常数的变介质型 (1)极距变化型电容式传感器 极距变化型电容式传感器结构原理如图3.5所示。由式(3.9)知,电容量 与极板间距 成双曲线关系。极距变化 时,电容 变化量为 传感器灵敏度: (4.2) 可见,灵敏度与成反比,极距越小,灵敏度越高。为减小非线 性误差,该类传感器通常用于测量微小位移。 在实际应用中,为提高灵敏度,减小非线性,克服压力、环境 温度、电源电压等外界因素对测量精度的影响,通常情况下把电容 器接成差动形式,如图4.3所示。 差动式电容传感器一般采用三块极板,其中中间一块极板为动 极板,两边为定极板。当动极板移动 距离, , 。 对应的电容量 、 的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提 高一倍,非线性得到改善,且工作稳定性好。 差动结构 差动的好处 灵敏度得到一倍的改善 线性度得到改善 (2)面积变化型电容传感器 面积变化型电容传感器有线位移和角位移两种。线位移型电容 式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。 图3.7a为平面线位移型传感器,电容量为: (4.11) 灵敏度为: 常数 (4.12) 图4.7b为圆柱型线位移传感器,电容量为: (4.13) 灵敏度为: 常数 (4.14) 图4.7c所示为角位移型传感器,电容量 因为 故 (4.15) 灵敏度为:
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