电容传感器课件.pptVIP

2002/12总结*電容式感測器電容傳感技術是在近幾年來取得很大進展的，它不但被廣泛地用於位移、振動、加速度等機械量的測量，而且逐步擴大應用於差壓、液面、料位、成分含量等方面的測量。下頁返回圖庫4.1電容式感測器的工作原理及類型電容器是電子技術的三大類無源元件（電阻、電容和電感）之一，電容式感測器就是利用電容器的原理，將非電量的變化轉換為電容量的變化，進而實現非電量測量的一種感測器。一、工作原理由物理學可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應，其電容為下頁上頁返回圖庫式中ε--兩個極板間介質的介電常數；s--兩個極板相對有效面積；d--兩個極板間的距離下頁上頁返回由上式可知，當被測參數使得電容器的介電常數、有效面積、間距發生變化時，電容量隨之變化。如果保持其中兩個參數不變而僅改變另一個參數，就可以將該參數的變化單值地轉換為電容量的變化。二、類型根據上述原理，在應用中電容式感測器可以有三種基本類型：改變極板間距離的變極距(或稱變間隙)型、改變極板面積的變面積型、改變介質介電常數的變介電常數型。4.1電容式感測器的工作原理及類型圖庫1．變極距型電容感測器圖4－1是變極距型電容感測器的結構原理圖。圖中1為固定極板；2為活動極板，其位移是被測量變化而引起的。當活動極板向上移動一定距離時，由此引起的電容增量為下頁上頁返回4.1電容式感測器的工作原理及類型圖庫可以看出電容增量與移動距離不是線性關係。但實際應用中若滿足量程遠小於極板間初始距離時，可以認為兩者是線性關係。因此這種類型的電容感測器一般用來測量微小變化的量，如0.01微米至1毫米的線位移等。在實際應用中，為了改善非線性、提高靈敏度和克服外界因素（如激勵源電壓、環境溫度等）對測量的影響，通常把感測器做成差動結構形式，當活動極板2向上移動時，上下兩個電容量將會同時發生變化，它們一個電容值隨位移增加，另一個電容值則相應減小。4.1電容式感測器的工作原理及類型2.變面積型電容感測器圖4－2是變面積型電容感測器的一些結構示意圖。當被測量變化使活動極板產生位移時，就改變了電極間的遮蓋面積，電容量C也就隨之變化。對於電容間遮蓋面積由S變為S’時，則電容增量為此時電容的變化量與面積的變化量成線性關係。因此與變極距型相比，變面積型的測量範圍大，可測較大的線位移或角位移。圖b結構的具體定量關係。4.1電容式感測器的工作原理及類型3．變介電常數型電容感測器圖4－3是變介電常數型電容感測器的結構原理圖。這種感測器大多用來測量介電質的厚度（圖a）、位移（圖b）、液位、液量（圖c），還可根據極間介質的介電常數隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量（圖d）等。圖a測厚度的定量關係。以圖(c)測液面高度為例，其電容量與被測量的關係為4.2電容感測器的靈敏度及非線性這裏我們先討論變極距型的平板電容感測器的靈敏度。假設極板間只有一種介質，如圖4-1情況。下頁上頁返回圖庫對單極式電容運算式為：其初始電容值為：當極板距離有一個增量Δd時，則感測器電容為：靈敏度k為下頁上頁返回4.2電容感測器的靈敏度及非線性圖庫只有比值?d/d0很小時才可認為是接近線性關係，這就意味著使用這種形式感測器時，被測量範圍不應太大。減小d0，靈敏度提高；同時d0小，電容容易擊穿，而且加工精度要求高，非線性誤差增大。為在比較大的範圍內使用此種感測器，可適當的增大極板間的初始距離d0，以保證比值?d/d0不致過大，但會帶來靈敏度下降的缺點，同時也使電容感測器的初始值減小，寄生電容的干擾作用將增加。常採用差動式電容感測器（靈敏度提高一倍）變面積型和變介電常數型(測厚除外)電容感測器具有很好的線性。但它們的結論都是忽略了邊緣效應得到的。實際上由於邊緣效應仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。下頁上頁返回4.2電容感測器的靈敏度及非線性圖庫4.2電容感測器的靈敏度及非線性非線性誤差分析：單極式差動結構作業：要求寫出線性度的概念、線性度理想直線選取的種類（至少三種以上）、分析變極距型電容感測器的線性度。4.3電容感測器的特點1.邊緣效應前邊對電容感測器工作原理、靈敏度、非線性分析均未考慮電容極板間電場的邊緣效應。在平行極板的邊緣部分，電力