第3章电容式传感器

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1、第3章电容式传感器概述第3章电容式传感器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各种电容式传感器示例概述第3章电容式传感器各种电容式传感器示例飞机油量检测炸弹延时起爆电容式加速度传感器概述第3章电容式传感器各种电容式传感器示例硅微电容式传感器测量管道液位高度概述第3章电容式传感器电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一。电容又是常见的电参量之一，电容的大小很容易转化成电压或电流的信号。电容式传感器：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。概述与电阻式、电感式传感器相比的优点：第3章电容式传感器1.测量范围大：相对

2、变化量可达100%。2.灵敏度高：可达10-7。3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。概述与电阻式、电感式传感器相比的不足之处：第3章电容式传感器1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。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

3、传感器的优点得以充分发挥。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容式传感器3.1电容式传感器的工作原理3.2电容式传感器的测量电路3.3电容式传感器的误差分析3.4电容式传感器的应用示例第3章电容式传感器3.1工作原理第3章电容式传感器d两个平行极板组成一个电容器，若忽略边缘效应，它的电容量C应为：ε——极板间介质的介电系数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；εr——极板间介质的相对介电常数.对于空气介质，εr≈1。S——极板间相互覆盖面积（m2）；d——极板间距离（m）；3.1工作原理第3章电容式传感器电容式传感器变极

4、板间距型变面积型变介电常数型等式右边的三个参数改变任何一个都可以使电容值C发生变化。这就是电容传感器的基本工作原理。变面积型电容传感器3.1基本工作原理θ定片动片（a）角位移式因此，与角位移呈线性关系。（a）角位移式变面积型电容传感器3.1基本工作原理当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的重叠面积S，电容量C同样随之变化。b）直线位移式因此，与位移呈线性关系。b）直线位移式变面积型电容传感器3.1基本工作原理b）直线位移式θ定片动片（a）角位移式灵敏度系数灵敏度系数变面积型电容传感器不论是角位移式还是直线式，传感器的电容值都与位移（转角θ或直线位移x）呈线性关系。且灵敏度系

5、数K与初始电容C0呈正比。变面积型电容传感器3.1基本工作原理这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。初始电容C0为：当内筒上移x时，内外筒间的电容Cx为：D1D0Lx与x成线性关系。播放动画C）圆筒形直线位移式变介质型传感器变介质型电容传感器3.1基本工作原理变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位、介电常数、温度、湿度等。变介质型电容传感器3.1基本工作原理变介质型电容传感器3.1基本工作原理右图相当于两个电容器的并联，1、2为筒状极板。上面的电容器以ε2为介质，下面的电容器以ε1为介质。圆筒形电容液位计原理：变介质型电容传感器3.1基本工作原理其中,

6、A为常数，K为灵敏度系数电容C与液位h1之间呈线性关系.例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L).解：变介质型电容传感器3.1基本工作原理右图相当于两个电容串联，这两个电容只有面积S相同：电容C与极板距离d或介电常数之间都不是线性关系。当d0、d1不变时，可用来测量介质的介电常数ε1；即介电常数测量仪。当ε0、ε1不变时，可用来测量d1距离，即作为测厚仪。变极板间距型电容传感器3.1基本工作原理初始电容当减小

7、时电容C增加dΔdC0d0dCΔC播放动画变极板间距型电容传感器3.1基本工作原理当时，用泰勒级数展开电容相对变化分子加减⊿d/d0变极板间距型电容传感器3.1基本工作原理忽略高次项：即当(一般取0.02-0.1)时，电容的相对变化量ΔC与极板间距离变化量近似呈线性关系。传感器灵敏度非线性误差d0越小，灵敏度系数K越高；而d0减小非线性误差δ增大。变间距型电容传感器非线性严重。差动式电容传感器3.1基本工作原理为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。播放动画差动式电容传感器3