传感器与检测技术董春利第三章节电容式传感器

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1、传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第三章电容式传感器3.1电容式传感器的原理与结构3.2电容式传感器的特性与补偿3.3电容式传感器的测量电路3.4电容式传感器的应用利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。它的优点是测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间

2、短、易实现非接触测量等。可以广泛的应用在力、压力、压差、振动、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。第一节电容式传感器的原理与结构平板电容器电容量为：ε—电容极板间介质的介电常数，ε=ε0•εr，其中ε0为真空介电常数，εr—极板间介质相对介电常数；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。这就是电容传感器的基本工作原理。因此，电容式传感器可分为变极距式、变面积式和变介质式三种类型

3、。平板电容器电容量为：当被测参数变化使得式中的A，d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。基本工作原理：如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距式、变面积式和变介质式三种。第一节电容式传感器的原理与结构一、变极距式电容传感器1．变极距式电容式传感器的工作原理原理：仅改变极距一个参数，就可把极距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。当保证最大位移小于间距的1/10时，电容值相对变化量为：C与Δd的关系呈近似线性关系。灵敏度为：对于一个变极距式电容传感器，其灵敏度是与其初始极

4、距大小和初始电容量相关的近似常数。2．变极距式电容式传感器的结构（1）差动结构变极距式电容式传感器1为动片、2为定片，中间电极若受力向上位移Δd则C1容量增加，C2容量减小，推出：电容传感器做成差动式后之后，灵敏度提高一倍。（2）保护环结构变极距式电容式传感器电极板间的边缘效应移到了保护环与极板2的边缘，消除极板的边缘效应的影响，极板1与极板2间的场强分布变得均匀（3）高介电常数的变极距式电容式传感器极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质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，而空气的仅为3kV/mm。有了云母片，极板间起始距离可大大减小。变极板

5、间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间，将极板间距离设定在25～200μm的范围内，将最大位移应小于间距的1/10，在微位移测量中应用最广二、变面积式电容式传感器1．变面积式电容式传感器工作原理原理：仅改变面积一个参数，就可把面积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。分类：根据面积变化方式的不同分为：平板形变面积式电容式传感器、旋转形变面积式电容式传感器、圆柱形变面积式电容式传感器。（a）平板形变面积式电容（b）旋转形变面积式电容（c）圆柱形变面积式电容（1）平板形变面积式电容式传感器对于一个特定的平板形变面积式电容传感器，其灵敏度是与其几何结构和介电常数相

6、关的常数。（2）旋转形变面积式电容式传感器对于一个特定的旋转形变面积式电容传感器，其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数。（3）圆柱形变面积式电容式传感器对于一个特定的圆柱形变面积式电容传感器，其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数。2．变面积式电容式传感器的结构图示是变面积式差动电容结构，传感器输出和灵敏度均提高一倍。（a）平板形差动电容；（b）旋转形差动电容；（c）圆柱形差动电容三、变介质式电容式传感器变介质式电容式传感器工作原理保持面积和极距两个参数不变，而仅改变介质一个参数，就可把介质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。这就是变介质式电容传感器的基

7、本工作原理。变介质式电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。圆柱形变介质式电容式传感器平板形变介质式电容式传感器第二节电容式传感器的特性与补偿一、一般结构电容传感器1．一般结构变极距式平板电容传感器的灵敏度电容传感器的灵敏度为：它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。2．一般结构变极距式平板电容传感器的非线性误差结