电容式传感器

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1、第三章电容式传感器优点：测量范围大灵敏度高动态响应时间短机械损失小结构简单，适应性强缺点：寄生电容影响大具有非线性输出（变间隙式）2021/9/61权义萍§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2021/9/62权义萍由：§3-1电容式传感器的工作原理－－两极板间介质的介电常数，－－为真空介电常数，－－介质的相对介电常数，对于空气介质而言2021/9/63权义萍当被测参数d、S、εr发生变化时，相应的电容发生变化，如果保持其中两个参数不变，

2、而仅改变其中一个参数时，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。故电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质（变介电常数）型三种。2021/9/64权义萍一、变面积型原理图如图3-1所示。动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引起电容C发生变化。线位移式(b)角位移式图.3-1变面积型电容传感器原理图2021/9/65权义萍当有效覆盖S0S时，则：可见ΔS与ΔC的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数：对图(a)线位移式传感器：则有：2021/9/66权义萍对图(b)角位移式传感

3、器，有：则其灵敏度为：可见，（1）传感器的电容量与角位移呈线性关系；（2）增大传感器的初始面积或减小极板间距d有利于增大传感器的灵敏度K。2021/9/67权义萍图3-2为其结构原理图。图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数εr2为的电介质以不同深度插入电容器中。传感器的总电容相当于两个电容C1和C2的并联，即：二、变介质价电常数型图3-2变介质型电容传感器2021/9/68权义萍若电介质εr1=1，则：当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为：故电容量的变化与被测电介质的移动量L成线性关系

4、。2021/9/69权义萍图3-3是变介质电容传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1，液位高度为h，传感器变换器高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时变换器电容为：图3-3电容式液位变换器结构图2021/9/610权义萍ε为空气介电常数；C0为由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：由上式可知，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。2021/9/611权义萍三、变极距型图3-4为此传感器的原理图。设初始电容量为：图3-4变极距型电容传感器原理图若电容动极板因被测量变化而向上移动时，则极

5、板间距变为，电容量为：2021/9/612权义萍极板移动前后电容的变化量为：上式表明之间不是线性关系。C-d的关系为非线性，其特性曲线如图3-5所示。图3-5电容量与极距的特性曲线但当时，可以认为的关系为线性的：则其灵敏度K为：2021/9/613权义萍故变极距型电容传感器只在很小时，才有近似线性输出。其灵敏度与初始极距的平方成反比，故可通过减小初始极距来提高灵敏度。初始极间距的减小可提高灵敏度，但过小会引起电容击穿或短路。故可在极板间采用高介电常数的材料，如云母、塑料膜等作为介质。如图所3-6所示。此时电容C变为

6、：图3-6放置介质的电容器结构2021/9/614权义萍由前面公式知：当时，上式按级数展开得：当时，可略去高次项得近似的线性关系:如果考虑式中的线性项与二次项，则可得：2021/9/615权义萍则传感器的相对非线性误差为：则其灵敏度为：为提高K，应减小d0，但其非线性误差随着d0的减小而增大，故可采用差动结构：如图3-7所示：以(a)图为例，当动片上移Δd，则：2021/9/616权义萍图3-7差动电容传感器原理图（a）变d型（b）变S型则差动电容的输出为：2021/9/617权义萍略去高次项得：其非线性误差为：可

7、见，差动电容传感器不仅使灵敏度提高一倍，而且非线性误差减小一个数量级。2021/9/618权义萍§3-2电容式传感器的测量电路若电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条件下，则电容的附加损耗等影响不可忽视，其效电路如图3-8所示。图3-8电容传感器的等效电路2021/9/619权义萍在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑的存在，则传感器的有效电容为：－－传感器电容－－低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗等影响；－－为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；－－为电容

8、器及引线电感；－－为寄生电容。2021/9/620权义萍传感器的有效灵敏度为：可见：每次改变激励频率或更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定2021/9/621权义萍二、测量电路（一）交流不平衡桥如图3-8所示：Z1为电容传感器阻抗，当Z1Z4＝Z2Z3，则USC=0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化ΔZ，其输出为：2021/9/622权义萍2021/