第5章电容式传感器ppt课件.ppt

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1、第4章电容式传感器传感器的工作原理及类型电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的特性等效电路电容传感器的设计要点电容式传感器的转换电路电容式传感器的应用举例本章要点电容式传感器？电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。εδs§5.1工作原理、分类及应用一、工作原理ε：介质介电常数s：极板面积δ：极板间距离εδs上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？二、分类(按工作原理分类)改变s、δ、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。εδs图4－11、变

2、极距型(变间距型)电容传感器两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量变化.1、变极距型电容传感器变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：0.01微米）。改善非线性，提高灵敏度，减少环境影响，采用差动式结构。2、变面积电容传感器常用的有角位移型和线位移型两种。一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形。2、变面积型电容传感器电容量的变化与面积的变化成线性关系。与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变

3、而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等3、变介电常数型电容传感器按结构分类平板式圆柱、圆筒式差动式单体式电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套电容式接近开关外形湿敏电容传感器外形原理：变介质型特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等电容式厚度传感器其他应用：1、变间隙式：εδs定极板动极板ε：极板间介质介电常数ε0：真空介电常数εr：极板间介质相对介电常数δ：极板间距离s：极板有效覆盖面积§5.2电容式传感器灵敏度及非线性灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。例

4、如：电容式压力传感器，δ＝0.1~0.2mm，C=20~100pF，可测小至0.01um的线位移。适合于微位移的测量。初始极距过小容易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。灵敏度分析：非线性误差分析：只考虑线性项：非线性误差：讨论：为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围△δ<<δ0,，此时，传感器的灵敏度近似为常数。电容量C与极距δ呈非线性关系，减小初始极距δ将增大非线性误差。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。差动电容结构：差动结构分析灵敏度提高一倍非线性减小灵敏度：非

5、线性误差：差动结构分析2、变面积式baδ△x说明：灵敏度为一常数，输出特性是线性的。b↑、δ↓→k↑适合于测量较大的直线位移和角位移。思考：用于角位移测量的电容式传感器的结构如下图。A、B为同一平面、形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平面内绕O点摆动。初始时，C处于A、B的中心。设极板间距为d。试推导：（1）初始时电容值。（2）当C向右移动角位移后电容值。(3)灵敏度。3、变介电常数式电容式液位计ε1：液体介质的介电常数ε0:空气的介电常数；H:电极板的总长度；d、D：电极板的内、外径；另一种变介电常数的电容式传感器：d不变，ε改变，

6、如：测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度dε0εrs气隙δ一、特点1、优点输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置，因此电容传感器可以测量很小的力，而且很灵敏。精度高达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5μm。机械损失小。自身发热量很小，又无摩擦，具有很高的精度。动态特性好。活动部件质量小，因此固有频率高。适于动态信号的测量。结构简单，适应性好。在振动、强辐射以及很大的温度变化的恶劣环境下工作。§5.2.2电容式传感

7、器的特点及等效电路电容式传感器的特点2、缺点输出阻抗高，大到几十兆欧～几百兆欧，带负载能力差。输出特性非线性较严重。寄生电容的影响较大，从而导致工作不稳定，降低灵敏度。寄生电容：电容的极板与周围导体构成的电容。R：串联损耗电阻。引线电阻、金属极板电阻等。(高频)Rp：并联电阻。直流漏电阻、气隙介质损耗等。（低频）L：电容器及引线的动态电感。（高频）Cp：A、B两端的寄生电容。二、等效电路分析RpRLC二、等效电路分析Rp与并联的相比很大，故忽略并联大电阻Rp。R与串连的相比很小，故忽略串连小电阻R。高频情况下，L对A、B端等效电容的影响。所以改变电源频率、更换电