传感器原理及应用(第三版)第3章.ppt

传感器原理及应用 第三章 电容式传感器 第三章 电容式传感器 定义：电容式传感器是将被测量参数换成电容量的 测量装置，其特点如下。 优点： 测量范围大。 动态响应时间短。灵敏度高。 机械损失小。结构简单，适应性强。 缺点： 寄生电容影响较大。即连接导线电容和本身的泄漏电容，寄生电容降低灵敏度，引起非线性误差，甚至致使传感器处于不稳定工作状态； 用变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。 综述：近年来，由于材料工艺，测量电路及半导体 集成技术等方面的高速发展，寄生电容得到很好的解决 ，使之优点得以充分发挥。 第三章 电容式传感器 3-1 电容式传感器的工作原理 一、变面积（S）型（多用于检测位移） 二、变介电常数型（ε） 三、变极板间距（d）型 3-2 电容式传感器的测量电路 一、等效电路 二、测量电路 3-3 电容式传感器的误差分析 一、温度对结构尺寸的影响 二、电容电场的边缘效应 3-4 电容式传感器的应用 一、电容式差压变送器 二、电容式测微仪 三、电容式液位计 3-1 电容式传感器的工作原理 最简单的电容器：用两金属板作电极，中间为某种介质，若忽 略边缘效应时(S≥d) （结构决定电容大小） 其中：C ——电容量（PF） S ——极板间相互覆盖面积（ ） D ——极板间距离（cm） ——极板间介质的介电常数（ ） ——真空的介电常数 （PF/cm） ——介质相对介电常数 ，对于空气介质 上式也可写成： 由式可见，在 ，S，d三个参述中，保持两个固定，改变另一 参数就可改变电容C值且为单值函数。 根据改变参数不同，电容传感器一般分三种类型 一、变面积（S）型（多用于检测位移） A：角位移式电容传感器 当动片有一角位移 时，覆盖面积S 发生变化，电容C随之改变 当 ℃时 S：半圆面积 当 ℃时 电容 与角位移 呈线性关系。 灵敏度 ： B：线位移式电容传感器 当 时 S：初始两板覆盖面积 当 时 电容 与位移 呈线性关系 灵敏度 对比上述两种电容传感器可得如下 结论： 增大C0可提高灵敏度（C0：初始电容）； 或 变化不能太大，否则边缘效应会引起较大非线性误差。 二、变介电常数型（ε） 因为不同介质的介电常数不同，若两极间介质发生变化，则电 容C随之改变。这种传感器常用于检测液面高度，片状材料的厚度。 A：如下图所示：在液体中放置2个同心圆柱状极板，检测液面变化 。前提条件是该液体不导电，若液体导电则极板需要绝缘。 讨论如下： 设：〈1〉液体介质常数 ；气体介质常数 〈2〉该电容可视为两个电容器并联即 （C1与C2的 分界处是液面处） 则：气体介质间的电容为C1 液体介质间的电容为C2 总电容量为C： 令： ： （均为固定值） 则上式为： 结论：电容量C与液位高度h1成线性关系 B：另一种变介质传感器，如下图所示 极板间两种介质厚度分别是d0（设为空气）和d1，则此传感器的 电容等于两个电容C0和C1相串联，即： 结论： 当介电常数 或 发生变化 时，C随之变化； 当 为空气，d1不变， 为待测 时，即是介电常数测量仪； 若介电常数 不变时，d1为待测时，即是厚度测量仪。 三、变极板间距（d）型 如下图所示：极板1固定，极板2随被测量变化而移动时，两极 板间距d0变化，引起电容变化。C随d变化的函数关系为双曲线，如 图示： 设：动片未动时，间距为d0，初始电容为C0，若介质是空气 当间距减小 时，电容量变为（间距 减小，电容增加） 即： （上式两边同除Co即得） 将上式展开为级数，得（ 条件）（实际是 展开） 忽略高次项得（条件是 时） 相对非线性误差表