4电容式传感器.ppt

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1、第4章电容式传感器以电容器为敏感元件将被测量转换为电容量变化C第4章电容式传感器4.1电容式传感器的工作原理4.2电容传感器的等效电路4.3电容传感器的信号调节电路4.4影响电容传感器精度的因素4.5电容传感器的应用7/26/20212电容传感器特点:小功率、高阻抗动态特性好，可微型化可实现非接触测量应用：微位移、振动加速度、压力液位……动极板定极板δC7/26/202134.1电容式传感器的工作原理4.1.1变极距型电容传感器4.1.2变面积型电容传感器4.1.3变介电常数型电容传感器动极板定极板δC7/26/202145

2、.1.1变极距型电容传感器(1)基本原理电容器面积S，极距δ介电常数空气相对介电常数真空介电常数电容器的电容电容器的电容与极距成反比；与极板面积及介电常数成正比。改变其一得到不同类型的传感器。+-δS25~200um20~100pF7/26/202154.1.1变极距型电容传感器(2)变极距型电容传感器当面积S和介电常数不变极距减小Δδ时，电容增加ΔC，则电容相对变化量：<0.1+-δS7/26/202164.1.1变极距型电容传感器(2)变极距型电容传感器电容相对变化量与极距变化成正比极距Δδ减小电容变化量增加，适应于小位移测

3、量灵敏度：单位位移引起的电容(相对)变化量非线性误差：使用展开式中二次项表示传感器特性+-δS7/26/202174.1.1变极距型电容传感器(2)变极距型电容传感器灵敏度与初始极距成反比非线性误差与初始极距成反比提高灵敏度与线性度矛盾。措施：采用差动结构+-δS7/26/202184.1.1变极距型电容传感器(3)差动变极距型电容传感器动极板＋定极板×2动极板下移Δδ，C1、C2反向变化动极板定极板定极板C1δC2δΔδ7/26/202194.1.1变极距型电容传感器(3)差动变极距型电容传感器灵敏度：非线性误差：差动结构的特

4、点：灵敏度增加1倍；非线性误差大大减小；在同样允许非线性误差下，测量范围显著增大。动极板定极板定极板C1δ0C2δ0Δd差动型07/26/2021104.1.2变面积型电容传感器(1)线性位移变面积型电容传感器动板相对定板位移量x，初始两板对齐电容C：电容变化量：灵敏度：线性传感器：增大b、减小δ可提高灵敏度a太小会产生边缘效应，影响精度baδx变介电常数型7/26/2021114.1.2变面积型电容传感器(2)角位移变面积型电容传感器动板相对定板旋转角度θ，初始两板对齐电容极板面积为S：电容变化量：灵敏度：线性传感器：增大半径

5、、减小δ可提高灵敏度调谐电容器θ定片动片7/26/2021124.1.2变面积型电容传感器(3)圆柱形变面积电容传感器x=0时，初始电容：x≠0时，电容为：电容变化量：；灵敏度：特性：线性dDhx7/26/2021134.1.3变介电质型电容传感器(1)变介电质液位电容传感器电容由液体和空气介质的两各电容并联：灵敏度：特性：线性C2C1C7/26/2021144.1.3变介电质型电容传感器(2)变介电质厚度电容传感器CC1C2C3δxC2C1C3δ线性特性7/26/2021154.1.3变介电质型电容传感器(3)变介电质液体温度

6、电容传感器水由0变到100时，相对介电常数由88变为55.33用平行平板电容可测水的温度：T温度时电容分别为：电容与介电常数成正比标定介电常数～温度关系后，可间接测温。δST7/26/2021164.1.3变介电质型电容传感器(4)变介电质湿度电容传感器空气相对介电常数1，水介电常数由88变为55.33不等与温度有关：介质：能无滞后吸收和渗出水分，以改变介电常数如：HC1000型湿度传感器76%RH时的电容C76＝500pF±50p系数线性误差<2%.E＋EElectronik公司须进行温度补偿7/26/2021174.2电容传

7、感器的等效电路以上特性前提：传感器为纯电容大多数情况下可行(非高温高湿、低频)等效电路Ce:等效纯电容,C0:传感器电容Rg:电容漏电阻r:串联电阻：引线、电缆等L:电容及引线电感，与导线长度有关低频时:Rg很高,r、L可忽略;传感器等效电阻Re≈Rg高频时:Rg很小,r、L不可忽略(>10MHz);Re≈rCp:引线电容RgrLCe一般ReCe低频rLCe高频7/26/2021184.2电容传感器的等效电路等效电容估计电感L抵消一部分电容C0：等效纯电容Ce有所增加,等效电路谐振频率因此,等效电容增加当时Ce≈C0工作频率一般

8、为(1/3~1/2)ω传感器使用条件与标定条件要相同,否则重新标定RgrLCe一般7/26/2021194.3电容传感器的信号调节电路电容传感器输出极小,不能直接显示或数据采集信号调节电路作用微弱信号放大获取被测量的大小、鉴别被测量的方向信号调节电路类型交流电桥