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机电类《自动检测技术》第五章多媒体课件统一书号:ISBN 978-7-111-40710-2课程配套网站或 2013年1月版 第五章 电容传感器 本章介绍电容传感器的分类、结构、基本原理及应用,重点介绍FM调频电路。还介绍硅微机械加工技术制作的摆式硅微电容加速度传感器,电容接近开关,以及压力、液位、流量的基本概念,测量方法等。 第五章 电容传感器 目录 5.1 电容传感器工作原理及结构形式 5.2 电容传感器的测量转换电路 5.3 电容传感器的应用 5.4 压力、液位和流量的测量 第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式 电容传感器以各种类型的电容器作为传感器元件,将被测物理量转换为电容量的变化,再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。 电容传感器具有如下优点: (1)可获得100%以上的相对变化量 。 (2)能在恶劣的环境条件下工作。 (3)所需的激励源功率小,本身发热问题可不予考虑。 (4)动态响应比电感传感器快。 电容器在收音机中的应用 并联在收音机LC谐振电路的电感两端的电容量越大,所接收到的电台的频率就越低。 变容二极管在收音机中的应用 并联在变容二极管两端的反向偏置电压越大,PN结就越厚,上下极板(P极和N极)的“间距”就越大,等效电容就越小,收音机谐振电路的频率就越低。 第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式 电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时,其电容为 式中 A——两极板相互遮盖的有效面积(m2); d——两极板间的距离,也称为极距(m); ε ——两极板间介质的介电常数(F/m); εr——两极板间介质的相对介电常数; ε0——真空介电常数,ε0=8.85?10-12(F/m) 电容器的边缘效应 理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害,这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时,将引起测量误差。 三种类型的电容传感器 在A、d、ε三个参量中,改变其中任意一个量,均可使电容C 改变。也就是说,电容C 是A、d、ε的函数,这就是电容传感器的基本工作原理。固定三个参量中的两个,可以制作成以下三种类型的电容传感器: 变面积式电容传感器、 变极距式电容传感器 、 变介电常数式电容传感器。 一、变面积式电容传感器 1-定极板 2-动极板 3-外圆筒 4-内圆筒 5-导轨 6-测杆 7-被测物 8—水平基准 变面积式电容传感器简析 图a是平板形直线位移式结构,其中极板1可以左右移动,称为动极板。极板2固定不动,称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。 平行板形变面积式电容传感器的容量变化 设两极板原来的遮盖长度为a0,极板宽度为b,极距固定为d0,当动极板随被测物体向左移动x后,两极板的遮盖面积A将减小,电容也随之减小,电容Cx 为 式中 C0——初始电容值 在变面积电容传感器中,电容Cx与直线位移x成正比。 角位移式的结构 1-动极板 2-定极板 极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移? 度时,两极板的遮盖面积A 就减小,因而电容量也随之减小。 圆筒形直线位移传感器 外圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设内圆筒的外半径、外圆筒的内半径分别为R和r,两者原来的遮盖长度为h0,电容量与位移成正比: 变面积式电容传感器的特性总结 变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的,灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。 二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时,改变了两极板之间的距离d,从而使电容量发生变化。 变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到,为了提高灵敏度,应使d0小一些为好,但行程变小(动静极板接触)。 变极距式电容传感器的特性及灵敏度 设初始极距为d0,当动极板向上位移时,极板间距减小了x值后,其电容变大。设,则有 电容Cx与位移x不是线性关系,其灵敏度Kx不为常数: 差动式电容传感器 差动式电容传感器特性曲线 1-上面的电容特性 2-下面的电容特性 3-差动特性 线性好,灵敏度高 三、变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同,所以在电容器两极板间插入不同介质时,电容器的电容量也就不同。 变介电常数式电容传感器 当某种被测介质处于两极板间时,介质的厚度δ越大,电容Cδ也就越大。Cδ等效于空气所引起的电容C1和被测介质所引起的电容C2的并联 式中 C1——空气介质引起的等效电容; C2——被测介质引起的等效电容; δ——介质的厚度; d——极距 绝缘薄膜
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