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传感器与检测技术 董春利 主编 潘洪坤 执笔 大连职业技术学院电气电子工程系 2008年3月 第三章 电容式传感器 3.1 电容式传感器的原理与结构 3.2 电容式传感器的特性与补偿 3.3 电容式传感器的测量电路 3.4 电容式传感器的应用 利用电容器的原理,将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置,称为电容式传感器,它实质上是一个具有可变参数的电容器。 由于材料、工艺,特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平,因此寄生电容的影响得到较好地解决,使电容式传感器的优点得以充分发挥。 它的优点是测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 可以广泛的应用在力、压力、压差、振动、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 第一节 电容式传感器的原理与结构 平板电容器电容量为: ε—电容极板间介质的介电常数,ε=ε0?εr,其中ε0为真空介电常数,εr—极板间介质相对介电常数;A—两平行板所覆盖的面积;d—两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得式中的A,d或ε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。这就是电容传感器的基本工作原理。 因此,电容式传感器可分为变极距式、变面积式和变介质式三种类型 。 第一节 电容式传感器的原理与结构 平板电容器电容量为: 当被测参数变化使得式中的A,d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。 基本工作原理: 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。 电容式传感器 可分为变极距式、变面积式和变介质式三种。 一、变极距式电容传感器 1.变极距式电容式传感器的工作原理 原理:仅改变极距一个参数,就可把极距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。 当保证最大位移小于间距的1/10时,电容值相对变化量为: C与Δd的关系呈近似线性关系。 灵敏度为: 对于一个变极距式电容传感器,其灵敏度是与其初始极距大小和初始电容量相关的近似常数。 2.变极距式电容式传感器的结构 (1)差动结构变极距式电容式传感器 1为动片、2为定片,中间电极若受力 向上位移Δd则C1容量增加, C2容量减小,推出: 电容传感器做成差动式后之后,灵敏度提高一倍。 (2)保护环结构变极距式电容式传感器 电极板间的边缘效应移到了保护环与极板2的边缘,消除极板的边缘效应的影响,极板1与极板2间的场强分布变得均匀 (3)高介电常数的变极距式电容式传感器 极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质 云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气的仅为3kV/mm。 有了云母片,极板间起始距离可大大减小。 变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间, 将极板间距离设定在25~200μm的范围内, 将最大位移应小于间距的1/10, 在微位移测量中应用最广 二、变面积式电容式传感器 1.变面积式电容式传感器工作原理 原理:仅改变面积一个参数,就可把面积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。 分类:根据面积变化方式的不同分为:平板形变面积式电容式传感器、旋转形变面积式电容式传感器、圆柱形变面积式电容式传感器。 (1)平板形变面积式电容式传感器 对于一个特定的平板形变面积式电容传感器,其灵敏度是与其几何结构和介电常数相关的常数。 (2)旋转形变面积式电容式传感器 对于一个特定的旋转形变面积式电容传感器,其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数。 (3)圆柱形变面积式电容式传感器 对于一个特定的圆柱形变面积式电容传感器,其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数。 2.变面积式电容式传感器的结构 图示是变面积式差动电容结构,传感器输出和灵敏度均提高一倍。 三、变介质式电容式传感器 变介质式电容式传感器工作原理 保持面积和极距两个参数不变,而仅改变介质一个参数,就可把介质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。这就是变介质式电容传感器的基本工作原理。 变介质式电容传感器有较多的结构型式,可以用来测量纸张,绝缘薄膜等的厚度,也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 第二节 电容式传感器的特性与补偿 一、一般结构电容传感器 1.一般结构变极距式平板电容传感器的灵敏度 电容传感器的灵敏度为: 它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。
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