《电容式传感器》PPT课件.ppt

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1、第五章电容传感器电容式传感器的工作原理及结构形式电容式传感器的等效电路电容式传感器的测量电路电容式传感器的应用电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。电容器在电子仪表中作为元器件来使用，在非电量电测中作为传感器来使用。优点：●结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；●可非接触测量；●灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量；●极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度；缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负

2、载能力弱，存在非线性等。第一节电容式传感器工作原理及结构形式电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应，电容器的电容量：S——两平行极板所覆盖的面积；d——两平行极板之间的距离；——极板间介质的介电常数；0——真空介电常数（8.854×10-12F•m-1）r——介质相对真空的介电常数，r空气≈1，其它介质r>1。当被测量使得S、d或发生变化时，电容量C也随之变化。一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转

3、换为电容量的变化。d、S、(r)变化C变化U（或I、f）变化电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介电常数式。（a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式；（g）、（h）变介电常数式一、变面积式电容传感器包括角位移和线位移（平板形直线位移、圆筒形直线位移）变面积式电容传感器输入输出成线性关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。1.平板形直线位移极板起始覆盖面积为S＝a×b，沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽略

4、边缘效应，改变后的电容量为初始电容：C与x成线性关系2.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。设外圆筒的内半径、内圆筒的外半径分别为R和r，两者原来的遮盖长度为h0，电容量与位移成正比：CxAA3.角位移当动极板有一个角位移θ时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ＝0时，则当θ≠0时，则这种形式的传感器电容量C与角位移θ是成线性关系的。灵敏度：（常数）平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距d变化，影响测量精度。因此在一般情

5、况下，变面积式电容传感器常做成圆筒形的。右图为齿形极板，也是变面积式电容传感器。可增加遮盖面积，提高分辨率和灵敏度。当极板的齿数为n时，灵敏度为为单极板的n倍。移动x后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。CAA1-实际特性2-理论特性设初始电容若电容器极板距离由初始值d0变化了d，d1=d0±d，其电容量二、变极距式电容传感器当d<

6、性增加。静态灵敏度：这时C与d近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成d在极小的范围内变化。相对非线性误差：可简化为三、差动式变间距电容传感器在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。中间为动极板（接地），上下两块为定极板。当动极板向上移动后，C1增大，C2减小，C1和C2形成差动变化，经过信号转换电路后，灵敏度提高一倍线性也得到了改善。差动平板式电容传感器结构图动极板上移：初始位置时电容总的变化为：电容相对变化为：当d/d0<<1时，略去高次项近似成线性灵敏度相

7、对非线性误差使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响。减小静电引力的影响。灵敏度提高一倍非线性误差降低了一般变极距式电容传感器的初始电容在20~100pF之间，极距间距离在25~200um的范围内，最大位移应小于初始间距的1/10。变间距式电容传感器的灵敏度高，可利用被测部件作为动极板实现动态非接触测量，故广泛应用于微小位移和压力的测量。四、变介电常数式电容传感器（a）图为测电介质厚度x；（b）图为测位移量x；（c）图为测液面位置和液量；（d）图为根据介质

8、的介电常数随温度、湿度、容量改变来测温度、湿度、容量等。以（b）为例，其电容量为式中b——极板宽度。设在电极中无2介质时的电容量为C0，即表明电容量C与位移x成线性关系。表5-1几种介质的相对介电常数根据上表，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？测量空气的相对湿度各种介质的相对介电