《电容式传感器》ppt课件

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1、第三章电容式传感器第一节电容式传感器的工作原理和结构第二节误差的因素及改进措施第三节电容式传感器的测量电路第四节电容传感器的应用举例第一节电容式传感器的工作原理和结构一、基本工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，其电容量为：式中:ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；A——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。当被测参数变化使得上式中的A、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中

2、一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，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、变面积型和变介电常数型三种。1、变极距型电容传感器ε和A为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有电容量与极板间距离之间的关系若Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，则：此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器往往设计成在Δd极小范围内变化。由C0式可以看出，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC

3、可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0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,此时电容C变为εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，上式中的dg/ε0εg项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。一般变极板间距离电容式传感

4、器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。2、变面积型电容传感器（1）直线位移型被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容为电容量C与水平位移Δx呈线性关系。(2)角位移型当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则当θ≠0时，则电容量C与角位移θ呈线性关系。3、变介质型电容式传感器

5、(1)常用变介质型(2)并联柱面结构用于测量液位高低。设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h,变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D。电容增量正比于被测液位高度h。(3)并联平面板结构二、差动式电容传感器1、变面积型差动电容传感器（1）平面板结构直线位移型位移x4a定极板动极板定片长4a，宽b动片长2a，宽b动态时：静态时：（2）圆柱面结构直线位移型静态时：动态时：（3）平面扇形变面积角位移结构静态时：动态时：2、变极距型差动电容传感器定片动片动态时：静态时：两极板对应的面积为A。三、电容传感器输

6、出特性在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则在Δd/d0<<1时,按级数展开得电容值总的变化量为电容值相对变化量为略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成为如下的线性关系：如果只考虑ΔC/C0式中的线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差r近似为非差动型平行板电容传感器可知，电容的相对变化量为当

7、Δd/d0

8、<<1时，上式可按级数展开，可得由上式可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，当

9、Δd

10、/d0

11、<<1时可略去高次项，得到近似的线性关系，如下式所示：电容传感器的灵敏度为它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。如果考虑（1）式中的线性项与二次项，则由此可得出传感器的相对非线性误差r为可以看出：差动式传感器的非线性误差比单一电容传感器的非线性误差大大降低了。四、电容传感器等效电路考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电

12、容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。传感元件的有效电容Ce可由下式求得(为了计算方便，忽略Rs和Rp):在这种情况下，电容的实际相对变化量为表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L和角频率ω有关。因此，在实