传感器原理及应用-第5章.ppt

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1、传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors主讲：王殿生教授第五章作业第二版教材102页：5-4，5-5，5-7（练习题）第三版教材99-100页：5-4，5-5，5-9（练习题）电容器特性被测非电量电容值测量电路U、I、f第五章电容式传感器电容式传感器的定义以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。电容式传感器的感测量位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。电容式传感器的种类根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。第五章电容式传感器5.1电容式传感器工作原理和结构5.2电容式传感

2、器等效电路5.3电容式传感器测量电路5.4电容式传感器应用ε电容极板间介质的介电常数，ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。两个平行金属板组成的平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为一、基本工作原理§5.1电容式传感器工作原理和结构d极板1极板2被测参数变化A、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。仅改变一个参数，该参数的变化可转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器的三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型。一、基本工作原理§5.1电容式传感器工作原理和结构若电容器极板

3、间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，则C与Δd近似呈线性关系。变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。1、基本输出特性电容的相对变化量为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构当

4、Δd/d0

5、<<1时，级数展开有输出电容的相对变化量与输入位移之间成非线性关系。传感器的相对非线性误差：2、非线性特性电容传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构3、灵敏度单位输入位移所引

6、起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。当

7、Δd/d0

8、<<1时有近似线性关系2、非线性特性要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。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。变极距电容式传感器在微位移测量中应用最广。在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd，则二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大

9、都采用差动式结构。4、差动式结构动极板定极板定极板C1d1C2d2电容值相对变化量为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似线性关系为电容值总的变化量为4、差动式结构动极板定极板定极板C1d1C2d2差动式传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构差动式传感器的相对非线性误差近似为4、差动式结构动极板定极板定极板C1d1C2d2差动式结构的电容传感器非线性误差大大降低，灵敏度增加了一倍。两种常用变面积型电容传感器：线位移式和角位移。三、变面积型电容传感器§5.1电容式

10、传感器工作原理和结构传感器的电容量与水平位移呈线性关系。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积改变，产生电容量的变化。当动极板相对于定极板平移Δx时，则电容相对变化量为1、平行平板线位移式初始电容C0为三、变面积型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与内筒线位移呈线性关系。当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a时，内外筒间的电容相对变化量为2、同轴圆筒线位移式DdLa初始电容C0为三、变面积型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与角位移呈线性关系。当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖

11、面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。电容相对变化量为3、角位移式设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为d；被测物的厚度和介电常数分别为dx和ε,则四、变介质型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与被测量物体的厚度和介电常数有关。当介电常数一定时，通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。1、单组平板厚度式电容传感器dxCC1C2C3设极板宽度为b，板间无介质ε2时，传感器的电容量四、变介质型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与位移呈线性关系。插入介质ε2后的电容量2、单组平板位移式电容传感器d2

12、ε1CBld1ε2xCACACBC设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h,变换器总高度为H，