传感器原理_孟立凡-蓝金辉 Ch5.ppt

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1、第5章电容式传感器5.1电容式传感器5.2电容式传感器的输出电路及等效电路5.3影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施5.4电容式传感器的应用概念:电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。特点：结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。应用：位移、加速度、液位、振动及湿度等。5.1电容式传感器5.1.1基本工作原理电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。

2、多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图所示。两个平行板组成的电容器的电容量为ε0是真空介电常数，值为8.85×10-12F/mεr为相对介电常数。当被测参数变化使得式中的A,ε或d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。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。改变平行极板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位

3、移，变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。变极距(d)型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)5.1.2电容式传感器的线性及灵敏度1.变极距（间距）型电容传感器极板面积为A，初始距离为d0，以空气为介质（er=1），电容器的电容为若电容器极板距离初始值d0减小Dd，其电容量增加DC，即由上式，电容的相对变化量为因为，按幂级数展开得略去非线性项（高次项），则得近似的线性关系式而电容传感器的灵敏度为电容式传感器灵敏度系数K的物理意义

4、是：单位位移引起的电容量的相对变化量的大小。略去高次项（非线性项）引起的相对非线性误差为可见极间距越小，既有利于提高灵敏度，又有利于减小非线性。但d0过小时，容易引起电容器击穿。在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动结构。改善击穿条件的办法是在极板间放置云母片等介电材料。（1）差动变间隙式的电容传感器在差动式电容传感器中，其中电容器C1的电容随位移Δd的减小而增大时，另一个电容器C2的电容则随着Δd的增大而减小。它们的特性方程分别为总的电容变化量电容的相对变化量为略去高次项,近似成线性关系差动电容

5、式传感器的灵敏系数为差动电容式传感器的相对非线性误差近似为差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。（2）固定介质与可变间隙式电容传感器减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经常在两极板间加一层云母或塑料等介质，以改变电容的耐压性能。由此构成如图所示的固定介质与可变间隙式电容传感器。由关系,,,当空气隙减小，使电容增加，有电容的相对变化量为当N1Δd1/（d1+d2）<１，即位移很小时，上式按幂级数展开可写成式中d1+d2=d略去高次项可近

6、似得到可见N1为非线性因子，若增大N1，非线性增加。设固定介质与可变间隙电容式传感器的灵敏度系数为同时，N1又是灵敏度因子，并且作为灵敏度因子与非线性因子是相互制约的。如图所示曲线，厚度比（d2/d1）为自变量，固定介质的介电常数e2作参变量，看影响灵敏度和线性度的因子N1的变化。因为e2总是大于1的，所以N1总是大于1的。又因为e2>1，随厚度比d2/d1增加，N1增加。在d2/d1很大时，N1的极限为e2，在d2/d1不变时，随e2增加，N1增加。云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000k

7、V/mm,而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。2.变面积型电容传感器板状线位移变面积型（1）线位移式电容传感器极板起始覆盖面积为A=a×b，沿活动极板长度方向移动Δa，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为电容的变化量为灵敏度为灵敏度系数KC为常数，可见减小极板的起始覆盖长度a可提高灵敏度，而极板宽度b与

8、灵敏度系数KC无关。但a不能太小，必须保证a＞＞d，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板的平行度要求高，稍有倾斜会导致极距d变化，影响测量精度。因此在一般的情况下，变面积式的电容传感器常作成圆柱式的。同心圆筒形线位移电容式传感器（2）圆柱式线位移电容传感器在不计边缘效应影响时，圆柱式的电容器的电容量为式中l——外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度；r2—