[工学]32电容式传感器

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1、第四章电容式传感器电容式传感器是将被测物理量转换为电容变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、物位、压力、成份分析、介质特性等方面的测量。基本工作原理及分类以平行板电容为例（如图4.1），如果不考虑其边缘效应，其电容量为（4.1）式中：——极板间介质的相对介电常数，空气介质；——真空介电常数；——二平行极板覆盖面积；下页上页返回——极板间距离。显然，电容量是、、的函数。如果保持其中两个参数不变，只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容式传感器分为极距变化型，面积变化型，介质变化型三类。下页上

2、页返回什么是电容器？电容器由两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。电容导体上的电荷导体之间的电压差在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。电容式传感器可分为三种：变极板间距离的变极距型改变极板面积的变面积型改变介质介电常数的变介质型电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器认识各种电容式传感器硅微电容式传感器测量管道液位高度认识各种电容式传感器(1)变极距型传感器(2)变面积型传感器(3)变介质型传感器（1）极距变化型电容式传感器极距变化型电容式传感器结构原理如图3.5所

3、示。由式（3.9）知，电容量与极板间距成双曲线关系。极距变化时，电容变化量为下页上页返回当减小时电容C增加εC0CΔC电容相对变化：初始电容:当δ减小Δδ时：讨论：灵敏度K与极板间距δ平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。电容量C与极距δ呈非线性关系，减小初始极距将引起非线性误差，只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。为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。传感器灵敏度:传感器灵敏度：（4.2）可见，灵敏度与成反比，极距越小，灵敏度越高。为减小非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。在实际应用

4、中，为提高灵敏度，减小非线性，克服压力、环境温度、电源电压等外界因素对测量精度的影响，通常情况下把电容器接成差动形式，如图4.3所示。差动式电容传感器一般采用三块极板，其中中间一块极板为动极板，两边为定极板。当动极板移动距离，，。对应的电容量、的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提高一倍，非线性得到改善，且工作稳定性好。下页上页返回差动结构差动结构的电容特征方程式为：相对非线性误差为结论：差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍;非线性误差减小.差动的好处灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善非线性误差:（2）面积变化型电容传感器面积变化型电容传感器有线位移和角位移两种。线位移型

5、电容式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。图3.7a为平面线位移型传感器，电容量为：（4.11）下页上页返回平板电容：当动极板移动Δx后两极板间电容量为：初始电容电容的相对变化量baδ△x电容改变量与水平位移成线性关系结论：变面积式电容传感器灵敏度K为常数；输出特性为线性；适合大位移测量。平板变面积型电容传感器灵敏度电容式角位移传感器当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系电容改变量与角位移呈线性关系灵敏度为：常数（4.12）图4.7b为圆柱型线位移传感器，电容量为：（4.13）灵敏度为：常数（4.14）图4.7c所示为角位移型传感器，电容量下页上页返回因为

6、故（4.15）灵敏度为：常数（4.16）下页上页返回变面积式电容传感器的输出与输入呈线性关系，但灵敏度比变极矩形低，适用于较大为线位移和角位移测量。变面积式电容器通常也采用差动形式，传感器的输出和灵敏度可提高一倍。（3）介质变化型电容传感器图4.8为介质变化型电容传感器，在固定两极板之间加入空气以外的其他被测固体介质，当介质变化时，电容量也随之变化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数为，固体介质相对介电常数为，电容量为下页上页返回由式（4.18）可得，当极板面积和极板间距一定时，电容量大小和被测固体材料的厚度和被测固体材料的介电常数有关。如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪，

7、而已知材料的厚度，可制成介电常数的测量仪。下页上页返回d不变，ε改变，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平板式当L=0时，传感器的初始电容当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为:电容变化量与电介质移动量L呈线性关系平板式测液位高度ε1：液体介质的介电常数ε:空气的介电常数；H:电极板的总长度；d、D：电极板的内、外径；初始电容:电容与液位的关系为：柱式电容增量与被测液位的高度成线性关系（1）交流