传感技术 第4章 电容式传感器.ppt

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1、第4章电容式传感器特点和应用中存在的问题1.2第4章电容式传感器工作原理、结构和特性4.14.2测量电路4.3电容式传感器及其应用4.42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。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。第4章电容式传感器34.1工作原理、结构和特性由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0(8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常

2、数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离δ有关：(4-1)若被测量的变化使式中δ、A、εr三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再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。C=ε0εrA/δ44.1工作原理、结构和特性当传感器的εr和A为常数，初始极距为δ0，由式(4-1)可知其初始电容量C0为(4-2)4.1.1变极距型电容传感器图4.1变极距型电容传感器原理图5当动极端板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ时，电容量增大ΔC,则有(4-3)可见，传感器输出特性C＝f(δ)是非线性的，如图4-2所示。

3、电容相对变化量为(4-4)如果满足条件(Δδ0/δ0)<<1，式(4-4)可按级数展开成(4-5)4.1工作原理、结构和特性64.1工作原理、结构和特性略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为和如果考虑式(4-5)中的线性项及二次项，则(4-6)(4-7)(4-8)7式(4-6)的特性如图4.3中的直线1，而式(4-8)的特性如曲线2。因此，以式4-6作为传感器的特性使用时，其相对非线性误差ef为4.1工作原理、结构和特性84.1工作原理、结构和特性由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在

4、Δδ/δ0

5、很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)

6、灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移检测中应用最广。(4-9)94.1工作原理、结构和特性由式(4-9)可见,δ0的减小会导致非线性误差增大；δ0过小还可能引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质。设两种介质的相对介电质常数为εr1(空气：εr1＝1)、εr2，相应的介质厚度为δ1、δ2，则有:(4-10)104.1工作原理、结构和特性云母片的相对介

7、电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。有了云母片，极板间起始距离可大大减小,同时传感器的输出特性的线性度得到改善。114.1工作原理、结构和特性动极板置于两定极板之间。初始位置时，δ1＝δ2＝δ0，两边初始电容相等。当动极板向上有位移Δδ时，两边极距为δ1＝δ0-Δδ，δ2＝δ0+Δδ；两组电容一增一减。动极板定极板定极板C1δ1C2δ2124.1工作原理、结构和特性同差动式自感传感器式(3-41)的同样分析方法，由式(4-4)和式(4-5)可得电容总的相对变化量为(4-11)略去高次项，可得近似的线性关系(4-12)提高一倍

8、134.1工作原理、结构和特性相对非线性误差ef′为(4-13)上式与式(4-6)及式(4-9)相比可知，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。减小144.1工作原理、结构和特性4.1.2变面积型电容传感器中间极移动式变面积型差动结构变面积型板状线位移变面积型角位移变面积型筒状线位移变面积型结构型式154.1工作原理、结构和特性与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。1)板状线位移型16式中为初始电容。电容的相对变化量为(4-15)4.1工作原理、

9、结构和特性设动极板相对定极板沿长度ｌ0方向平移Δｌ时，则电容为(4-14)17这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为必须指出，上述讨论只在初始极距δ0精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。为减小这种影响，可以使用中间极移动的结构。(4-16)4.1工作原理、结构和特性182)角位移型4.1工作原理、结构和特性19当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则当θ≠0时，则线性4.1工作原理、结构和特性203)筒状电容传