传感器第3章电容式传感器解读.ppt

第3章 电容式传感器 * 科学技术的不断发展极大地丰富了各类传感器，以压力测量为例，现今常用的测量压力的传感器，有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等，电容式、压阻式、压电式、压磁式，能将多种信息转化为电信号。 电容结构简单，性能可靠，成本低廉，容易实现参数改变，可广泛应用于各类物理量的测试。电容式传感器是以可变参数电容器作为传感元件，待被测非电量转换为电容量变化，进而转换为电信号输出的装置。电容测量技术在近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、加速度、角度、力、压力、物料、介质特性等多方面量的精密测量，而且还逐步地扩大应用于压差、液面、料面、成分含量等方面的测量。 式中，A为极板面积；d为极板间的距离； 为极板间介质的相对介电常数； 为真空介电常数， =8.85 F/m； 为极板间介质的介电常数。 3.1 电容式传感器的工作原理及结构形式 为了便于研究和应用，先从电容式传感器结构原理最简单的、应用最多的平板电容式传感器来进行研究。平板电容式传感器的基本工作原理可以用图3-1所示的平板电容器来说明。 图3-1 平板电容器 当忽略边缘效应时，平板电容器的电容量为 3.1 电容式传感器的工作原理及结构形式 在实际应用中，常使d、A、 三个参数中的两个保持不变，而改变其中一个参数来使电容量发生变化。所以，电容式传感器可以分为三种类型：改变极板距离d的变间隙型、改变极板面积A的变面积型和改变介质相对介电常数 的变介电常数型。 图3-2所示为一些电容式传感器的原理结构形式。其中，图3-2a、b为变间隙型电容式传感器；图3-2c~f为变面积型电容式传感器；图3-2g、h为变介电常数型电容式传感器。 3.1 电容式传感器的工作原理及结构形式 图3-2 几种不同的电容式传感器的原理结构图 3.1.1 变间隙型电容式传感器 图3-3为变间隙型电容式传感器的原理图。图中，1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。 图3-3 变间隙型电容式传感器 设极板面积为A，其静态电容量 ，当活动极板移动x后，其电容量为 1—固定极板 2—活动极板 (3-2) 设极板面积为A，其静态电容量 ，当活动极板移动x后，其电容量为 3.1.1 变间隙型电容式传感器 当x＜＜d时 (3-3) 3.1.2 变面积型电容式传感器 图3-4为直线位移变面积型电容式传感器的示意图。 图3-4 直线位移变面积型电容式传感器 当动极板移动Δx后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 C =εb（a－Δx）/d = －εbΔx/d （3-4） 电容因位移而产生的变化量为 3.1.2 变面积型电容式传感器 其灵敏度为 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。 图3-5　变面积型电容式传感器的派生型 a)角位移型　b)齿形极板型 图3-6 介质面积变化的电容式传感器 3.1.3 变介电常数型电容式传感器 当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数发生变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种。图3-6为介质面积变化的电容式传感器，这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。 3.1.3 变介电常数型电容式传感器 由图3-6可以看出，此时传感器的电容量为 （3-7） 式中， 设极板间无介质 时的电容量为 ，当 介质 插入两极板间则有 (3-8) 式（3-8）表明，电容量C与位移x呈线性关系。 3.2 电容式传感器的等效电路 电容式传感器的性能比较稳定，因为对于大多数电容器，除了在高温、高湿条件下工作，它的损耗通常可以忽略，在低频工作时，它的电感效应也是可以忽略的。上节中各种类型的电容式传感器的灵敏度和线性度的分析，都是在将电容式传感器视为纯电容条件下作出的，这在大多数实用情况下是允许的。 在电容器的损耗和电感效应不可忽略时，电容式传感器的等效电路如图3-7所示。图中 为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗。这部分损耗的影响 通常在低频时较大，随着频率增高，容抗减小，它的影响也就减小了。串联电阻 代表引线电阻及电容器支架和极板的电阻，在几兆赫频率下工作时，这个值通常是很小的，它随着频率的增高而增加。因此，只有在很高的工作频率时，才要加以考虑。 3.2 电容式传感器的等效电路 图3-7 电容式传感器的等效电路 电容式传感器只有在低