传感器第5章电容式.ppt

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1、第5章电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器第5章电容式传感器硅微电容式传感器测量管道液位高度第5章电容式传感器5.1电容传感器构成、工作原理及工作方式5.1.1电容式传感器的构成及各元件的作用1）电容式传感器的构成框图2）定性工作原理被测非电量电容转换元件电容变化量测量电路电压（电流或频率）变化经标度转换显示出非电量值标度转换第5章电容式传感器5.1.2平行板电容式变换元件的工作原理用两块金属板作电极板，可构成最简单的电容变换元件，如图：A、B两极板电荷密度分别为：两极板均匀电场强度为：两极板间的电位

2、差为：两极板面积真空介电常数第5章电容式传感器两极板间的电容为：若极板间为任意介质，其介电常数为，并用相对介电常数表示，则有，则，将其代入计算式，得电容工作式为5.1.3平行板电容器的工作方式电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容器C可以通过改变故电容有如下三种工作方式：第5章电容式传感器1）变间隙工作方式：2）变面积工作方式：3）变介质工作方式：1.变间隙型传感器第5章电容式传感器第5章电容式传感器30第5章电容式传感器故为常数）。注：式成线性的条件，一是，二是略去了二次以上的高次项。所以一般情况下是非线性的。第5章电容式传感器讨

3、论：要提高传感器灵敏度应减小初始极距，初始极距受电容击穿电压限制；非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移；起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。第5章电容式传感器ε２Ｃ１Ｃ２１上静片下静片动片差动结构的输出特性、灵敏度和非线性误差是怎样的？第5章电容式传感器2.变面积型传感器第5章电容式传感器1）线位移变面积式（1）定性工作原理线位移改变有效面积电容变化反映第5章电容式传感器（2）定量工作原理设：a为面积长度，b为面积宽度，则有A=ab，因此有：初始时：工作时：外

4、作用使极板移动了，面积变为，此时电容量为第5章电容式传感器结论：变面积式电容传感器灵敏度为常数，b和，。与a无关，但a不宜太小，否则有边缘效应，使非线性增大。适合大位移测量。2）角位移变面积式初始时：第5章电容式传感器变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式典型结构如图所示。图中：A、B为同一平(柱)面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平(柱)面内绕O点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A

5、、B的初始电容值相同。第5章电容式传感器3.变介质型传感器这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。测某种材料的厚度变量初始时：第5章电容式传感器第5章电容式传感器第5章电容式传感器第5章电容式传感器εdσ动片当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：第5章电容式传感器5.2电容式变换元件的主要特性5.2.1单组式输出特性单组式是指只有两个电极构成的电容变换元件。1。变间隙式输出特性32。变面积式输出特性1）线位移变面积式输出2）角位移变面

6、积式输出第5章电容式传感器3。变介质式输出特性5.2.2差动式输出特性5.2.3变间隙式差动电容的电压输出特性当，则差动电容为因为C1和C2串联所以有第5章电容式传感器可以看出：差动输出电压第5章电容式传感器5.2.4电容式传感器的等效电路电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。电容传感器的等效电路包括:传输线的电感L、高温高湿高频下损耗电阻Rs（小）;传感器电容C，A、B两端分布寄生电容Cp，并联损耗电阻Rp。ps第5章电容式传感器在以下各种实际工作条件下，等效电路可如下简化：1）在绝大多数正常

7、条件下工作时，可视为纯电容，即Xc＝1/jwC.2）在高频条件下工作时，Cp很小可视为0，主要由L和Rs及C起作用。3）在低频条件下工作时，只有C和Rp起作用。4）当实际使用时，主要考虑L和C的作用。等效电容为灵敏度发生变化为在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。第5章电容式传感器5.2.5电容式变换元件的高阻抗、小功率和易受干扰特性1)电容阻抗，因为C为几pF至几十pF，所以C↓↓→Xc↑↑。2）小功率Pc＝UⅠ=U2,可见C↓↓→Pc↓↓3）易受干扰特性因为C↓↓，Xc↑↑，则Pc↓↓，所以易受外干扰

8、，使用时应注意屏蔽保护。5.2.6静电引力特性电容式变换元件是在静电场中工作，接电源以后，两块极板分别带正负电荷，则两个极板间必然存在静电引力或静电力