传感器技术第4章-电容式传感器.ppt

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1、第四章电容式传感器电容传感器工作原理电容传感器性能分析3电容传感器测量电路4电容传感器的应用电容传感器是将被测量转换成电容量的测量装置，它与电阻传感器和电感传感器相比，具有如下优点：①测量范围大，ΔC/C可达100%；②灵敏度高，相对变化量可达10-7；③动态响应时间短，可动部分质量小，固有频率高；④结构简单、适应性强。第一节电容传感器工作原理电容量C的变化决定于参数S、d和ε，因而有三种基本类型的电容传感器。εdSε：介质介电常数εr—极板间介质的相对介电常数ε0—真空的介电常数=8.85×10-12F/mS：极板面积d：极板间距离一、变极板间距离（d）

2、型结构类型1、变极距型电容式传感器电容微位移计极板1固定不动的极板2沿间隙方向平行位移εδS1定极板2动极板ε：极板间介质介电常数ε0：真空介电常数εr：极板间介质相对介电常数δ：极板间距离S：极板面积进行微位移测量时，ΔX＜＜d0（工程中一般取ΔX/d0=0.02～0.1），则上式具有近似的线性关系设初始两极板间的距离为d0，此时电容量为,当极板2沿极板垂直方向移动ΔX：两极板间距离为d=d0－ΔX（极板2上移时，ΔX＞0；下移时ΔX＜0），则电容量为特性分析：灵敏度和非线性误差？为了提高传感器的灵敏度，减小初始极间距，在两极板之间加绝缘介质（如云母片）

3、，提高耐击穿电压(1000kv/mm:3kv/mm)。如图非线性误差随着d0的减小而增大为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围△X<

4、尺寸不允许作得很大减小极间距d可以提高灵敏度，但过小的d可能导致极间介质被电场击穿2．直线位移式X——动极相对于定极的直线位移Cx与直线位移X也是线性关系灵敏度圆筒型三、变介质的介电常数（ε）型变介电常数型电容传感器改变极板间介质的介电常数－>改变电容量的大小常用来检测容器中液位的高度或片状电介质厚度电容液位计C1是高度为h1的不导电液体为电介质的部分的电容量ε1——不导电液体的介电常数以高度为h2的气体为介质的部分电容量C2ε2—气体的介电常数电容器总电容量C为C1和C2相并联h、R、r及ε1、ε2均为常数A和B为线性比例系数总电容量C仅与液位高度h1成

5、正比dD1DLHCHε1ε3ε2例：如图所示，圆筒形金属容器中心放置一个带绝缘套管的圆柱形电极用来测介质液位。绝缘材料介电常数为ε1，被测液体介电常数为ε2，液体上方气体介电常数为ε3，电极各部位尺寸如图所示，并忽略底面电容(绝缘套筒底部及下方液体部分)。求：当被测液体为导体及非导体时的两种情况下，分别推导出传感器特性方程（即表达式）CH=f(H)dD1DLHCHε1ε3ε2令C1、C4分别为绝缘套在电极上、下两部分形成的电容；C3是液面上方气体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容；C2是被测液体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容。则有：dD1DLHCHε1ε3

6、ε2令C1、C4分别为绝缘套在电极上、下两部分形成的电容；C3是液面上方气体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容；C2是被测液体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容。dD1DLHCHε1ε3ε2令C1、C4分别为绝缘套在电极上、下两部分形成的电容；C3是液面上方气体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容；C2是被测液体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容。dD1DLHCHε1ε3ε2令C1、C4分别为绝缘套在电极上、下两部分形成的电容；C3是液面上方气体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容；C2是被测液体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容。dD1DLHCHε1ε3ε2令C1、C4

7、分别为绝缘套在电极上、下两部分形成的电容；C3是液面上方气体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容；C2是被测液体在容器壁与绝缘套外壁间形成的电容。C1C3C4C2CH注意：本例与前一例题的区别d为两电极板之间的间距，d1为被测电介质的厚度空气介质的厚度：d0=d－d1，总电容量C为空气介质电容C0与被测厚电介质电容C1相串联电容测厚计S—电容器极板的有效面积；ε0—空气的介电常数ε1—被测厚材料的介电常数，ε1=ε0εr；εr—被测厚材料相对介电常数对线性没有要求(待测变量εr和d1基本不变或变化甚小)d不变，ε改变，相对介电常数测试仪如：测量粮食、纺织品、木

8、材或煤等非导电固体介质的湿度ε不变，d改变，测厚仪如：测量纸张、绝