[工学]5传感器技术及其应用.ppt

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[工学]5传感器技术及其应用

第5章 电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量,并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作,这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展,促使它扬长避短,成为一种很有发展前途的传感器。 5.1 工作原理、结构和特性 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,当忽略边缘效应影响时,其电容量与真空介电常数ε0 (8.854×10-12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关: C=ε0εrA/ δ ????????????? (5-1) 若被测量的变化使式中δ 、A、εr三个参量中任意一个发生变化时,都会引起电容量的变化,再通过测量电路就可转换为电量输出。因此,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为这种传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数,初始极距为d0 ,由式(5-1)可知其初始电容量C0为 当动极端板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ0时,电容量增大ΔC则有 ?????????????????? (5-3) 可见,传感器输出特性C=f(δ)是非线性的,如图5-2所示。电容相对变化量为 ?????????????????????????????????? (5-4) 如果满足条件(Δδ0/δ0)1,式(5-4)可按级数展开成 ??????????????? (5-5) 略去高次(非线性)项,可得近似的线性关系和灵敏度S 分别为?????????????????????????????????????????????? ????????????????????????? ? ? 如果考虑式(5-5)中的线性项及二次项,则 ???????????????????????????????????? ? 式(5-6)的特性如图5.3中的直线1,而式(5-8)的特性如曲线2。因此,以式5-6作为传感器的特性使用时,其相对非线性误差ef为 特性曲线 由上讨论可知: (1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0| 很小(小测量范围)时,才有近似的线性输出; (2)灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比,故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。 例如在电容式压力传感器中,常取δ0=0.1~0.2mm,C0在20~100pF之间。由于变极距型的分辨力极高,可测小至0.01μm的线位移,故在微位移检测中应用最广 图5.4固体介质变极距型电容器 由式(5-9)可见, δ0的减小会导致非线性误差增大;δ0过小还可能引起电容器击穿或短路。为此,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5.4所示。设两种介质的相对介电质常数为εr1 (空气:εr1=1)、εr2,相应的介质厚度为δ1、δ2,则有 设向上移动 时C1增大,C2减小,如果C1和C2的初始电容都为C0, 略去高次项,可得近似的线性关系 这种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物质的湿度。 图5.7为原理结构。图(a)中两平行极板固定不动,极距为δ0,相对介电常数为εr2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。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。由式(5-1) 5.2 特点和应用中存在的问题 5.2.1 特点 1.优点: Ⅰ.温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关,有利于选择温度系数低的材料,又因本身发热极小,影响稳定性甚微。 而电阻传感器有铜损等,易发热产生零漂。 Ⅱ.结构简单 电容式传感器结构简单,易于制造,易于保证高的精度,可以做得非常小巧,以实现某些特殊的测量;能工作在高温,强辐射及强磁场等恶劣的环境中,可以承受很大的温度变化,承受高压力,高冲击,过载等;能测量超高温和低压差,也能对带磁工作进行测量。 Ⅲ.动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几个10-5N),需要的作用能量极小,又由于它的可动部分可以做得很小很薄,即质量很轻,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几兆Hz的频率下工作,特别适用于

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