《电容传感器》word版

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1、普通中等职业教育机电类规划教材自动检测与转换技术课程授课教案第五章电容传感器课题：电容传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：9教材分析难点：压力的测量重点：电容传感器的分类及应用教学目的和要求1、了解电容传感器的工作原理；2、掌握电容传感器的应用；3、了解电容接近开关的原理及应用；4、了解压力测量的方法。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种电容传感器各教学环节和内容演示：做以下的实验：将两片直径为30mm的圆形铜片相互接近，用万用表的电容1000pF量程，测量两者之间的电容量。可

2、以看到：随着两者的靠近，电容量从0pF，逐渐增大。在短路之前，大约可增大到30pF。请学生在两者之间逐渐插入塑料薄膜，可以观察到：电容量逐渐增大，到40pF左右。保持两者的距离，将这两片铜片向水平方向分开，可以看到：万用表所指示的电容量逐渐减小。结论：从以上实验和电工知识可知，电容传感器的电容量C与两极板相互遮盖的有效面积A以及两极板之间的介质相对介电常数εr成正比，与两极板间的距离d（常称为极距）成反比从以上演示，引入第一节的电容传感器工作原理。第一节电容传感器的工作原理及结构形式平板电容器的电容

3、量为(5-1)式中A——两极板相互遮盖的有效面积；d——两极板间的距离，也称为极距；ε——两极板间介质的介电常数；εr——两极板间介质的相对介电常数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.85´10-12(F/m)。分析式（5-1）得出结论：在A、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，电容量C是A、d、ε9普通中等职业教育机电类规划教材自动检测与转换技术课程授课教案的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。一、变面积式变面

4、积式电容传感器的结构及原理如图5-3所示。图5-3a是平板形直线位移式结构，其中动极板1可以左右移动，称为动极板；极板2固定不动，称为定极板，两者之间的初始安装距离d0为常数。图5-3变面积式电容传感器的结构及原理a）平板形直线位移式b）圆筒形直线位移式c）半圆形角位移式1－动极板2－定极板3－外圆筒4－内圆筒5-导轨6－测杆7－被测工件8—水平基准变面积式电容传感器的输出特性是线性的，多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。二、变极距式变极距式电容传感器结构如图5-4a所示，特性曲线如图5-4b所

5、示。图中1为定极板，2为动极板。当动极板受被测物体作用而上下位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。图5-4变极距式电容传感器a）结构示意图b）电容量与极板距离的关系1－定极板2－动极板3－弹性膜片课堂提问：观察图5-4b所示的变极距式电容传感器特性曲线，变极距式电容传感器的特性是什么曲线？当初始安装距离d0较小时所引起的电容变化量ΔC1，与d0较大时的ΔC2比较，灵敏度哪个高？对行程有何影响？在图示的例子中，你在调整极距时，打算将d0设置为多少mm？请在图5-4b上标出来。为了提高

6、传感器的灵敏度，减小非线性，也常常把电容传感器做成差动形式。差动式电容传感器结构示意图如图5-5所示。图5-5a的中间极板为动极板（接地），上下两块为定极板。当动极板向上移动Dx后，C1的极距由初始安装位置的d0，变为d1（d1＝d0-Dx），而C2的极距变为d2（d1＝d0＋Dx），电容C1和C29普通中等职业教育机电类规划教材自动检测与转换技术课程授课教案形成差动变化，经过信号测量转换电路后，灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消，因此在工业

7、中多使用差动结构。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算机来计算修正。图5-5差动电容传感器结构示意图a）差动变极距式b）差动变面积式1－动极板2－定极板在图图5-5b中，动极板向左位移了Δx时，动极板与两块定极板的极距d0保持不变，但与左边一块定极板的投影长度增加到L0＋Δx，两者之间的投影面积增大，电容C1也随之增大。与此同时，动极板与右边定极板之间的电容C2减小，构成差动关系。数显卡尺就是利用这种差动变面积式的基本原理制作的。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

8、间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器，它们常用来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。表5-1列出了几种常用气体、液体、固体介质的相对介电常数。表5-1几种介质的相对介电常数介质名称相对介电常数εr介质名称相对介电常数εr真空1玻璃釉3~5空气略大于1SiO238其他气体1~1.2①云母5~8变压器油2~4干的纸2~4硅油2~3.5干的谷物3~5聚丙烯2~2.2环氧树脂3~10聚苯