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第5章电容

第五章 电容式传感器及其应用 5.1 工作原理和结构 由两块金属板,中间充以绝缘介质就组成了最简单的平板电容器。如果不考虑边缘效应,其电容 * (5-1) 式中:?——电容极板间介质的介电常数,?=?0. ?r,其中?0为真空介电常数,?r为极板间介质相对介电常数; A——是电极面积: d——极板间距。 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。 5.1.1 变极距型电容传感器 图5-1 变极距型电容式传感器 当传感器的?r和A为常数,初始极距为d。时,由式(5-1)可知其初始电容量C0为 (5-2) 若电容器极板间距离由初始值d0缩小?d,电容量增大?C,则有 (5-3) 由式(5-3)可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图5-2所示的双曲线关系。 图5-2 电容量与极板间距离的关系 在式(5-3)中,若?d/d0??1时, 则式(6-3)可以简化为 (5-4) 此时C1与?d近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在?d/d0很小时,才有近似的线性输出。 另外,由式(5-4)可以看出,在d0较小时,对于同样的?d变化所引起的?C可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。 极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质(如图5-3所示), (5-5) 图5-3放置云母片的电容器 式中:?g --云母的相对介电常数, ?g=7; ?0——空气的介电常数,?0=1; d0——空气隙厚度; dg——云母片的厚度。 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,而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,式(5-5)中的(dg/?0?g)项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 此时电容C变为 被测量通过移动动极板引起两极板有效覆盖面积A改变,从而得到电容的变化量。设动极板相对定极板沿长度方向的平移为?x,则电容为 图5-4变面积型电容传感器原理图 式中C0 =?0?rba/d为初始电容。电容相对变化量为 (5-7) 很明显,这种形式的传感器其电容量增量?C与水平位移?x是线性关系。 5.1.2 变面积型电容式传感器 图5-4是变面积型电容传感器原理结构示意图。 图5-5是电容式角位移传感器原理图。 (5-8) 式中:?r——介质相对介电常数; d0——两极板间距离; A0——两极板间初始覆盖面积。 当? ? 0时,则 (5-9) 从式(5-9)可以看出,传感器的电容量C与角位移?呈线性关系。 图5-5 电容式角位移传感器原理图 当动极板有一个角位移?时,与定极板间的有效覆盖面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。当?=0时,则 设被测介质的介电常数为?1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,则此时变换器中气体介质间的电容量C1和液体介质间的电容量C2分别为 图5-6 电容式液位变换器结构原理图 (5-10) 5.1.3变介质型电容式传感器 图5-6是一种变极板间介质的电容式传感器,用于测量液位高低的结构原理图。 因此,总电容量C为 图中两平行电极固定不动,极距为d0,相对介电常数为?r2的电介质以不同深度插入电容器中,从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为 图5-7 变介质型电容式传感器 (5-11) (5-12) 可见,电容的变化与电介质?r2的移动量L呈线性关系。 图5-7是一种常用的变介质电容器结构型式。 若电介质?r1=1,当L=0时,C0 =?0?r1 L0b0/d0 。当介质?r2进入极间L后,引起电容的相对变化为 5.2 电容式传感器的灵敏度和非线性 由式(5-3)可知,电容的相对变化量为 (5-13) 1时,则上式可按级数展开,故得 (5-14) 由此可见,输出电容的相对变化量?C/C与输入位移?d之间呈非线性关系。只有当?d /d0 1时,可略去高次项,则得近似的线性关系式: (5-15) 当 电容传感器的灵敏度为: (5-16) 如果考虑式(5-14)中的相对非线性项与二次项,则 (5-18) (5-17) 由此可得出传感器的相对非线性误差?为 在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性误差,大都采用差动式结构。图5-8是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。 图5-8 差动平板式电容传感器结构图 (5-19) (5-20) 在差动平板式电容器中,当动极板位移

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