电容式传感器课程——传感器与检测技术.doc

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1、第4章电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单，分辨率高，抗过载能力大，动态特性好的优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、液位。4.1电容式传感器工作原理图4.1平行板电容器平行板电容器是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的，如图4.1所示，当忽略边缘效应影响时，其电容量与绝缘介质的介电常数e、极板的有效面积S以及两极板间的距离d有关，即（4.1）若被测量的变化使电容的d、S、e三个参量中的一个参数改变，则电容

2、量就将产生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定的函数关系，那么被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。所以电容式传感器可以分成3种类型：改变极板面积的变面积式、改变极板距离的变间隙式和改变介电常数的变介电常数式。4.1.1变面积式电容传感器图4.2变面积型电容传感器原理图变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。根据动极板相对定极板的移动情况，变面积式电容传感器又分为直线位移式和角位移式两种。1．直线位移式其原理结构如图4.2所示，被测量通过使动

3、极板移动，引起两极板有效覆盖面积S改变，从而使电容量发生变化。设动极板相对定极板沿极板长度a方向平移Dx时，电容为（4.2）式中，，为电容初始值；电容因位移而产生的变化量为。电容的相对变化量为（4.3）很明显，这种传感器的输出特性呈线性，因而其量程不受范围的限制，适合于测量较大的直线位移。它的灵敏度为（4.4）图4.3中间极板移动变面积式电容传感器原理图由式（4.4）可知，变面积式传感器的灵敏度与极板间距成反比，适当减小极板间距，可提高灵敏度。同时，灵敏度还与极板宽度成正比。为提高测量精度，也常用如图4.

4、3所示的结构形式，以减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。2．角位移式其工作原理如图4.4所示。当被测的变化量使动极板有一角位移q时，两极板间互相覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。当q=0时，初始电容量为：。当q≠0时，电容量就变为：。由上式可见，电容量C与角位移q呈线性关系。在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式结构如图4.5所示。A、B、C均为尺寸相同的半圆形极板。A、B固定，作为定极板，且角度相差180°，C为动极板，置于A、B极板中间，且能

5、随着外部输入的角位移转动。当外部输入角度改变时，可改变极板间的覆盖有效面积，从而使传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证其与A、B的初始电容值相同。图4.6基本的变间隙式电容传感器图4.4角位移式电容传感器原理图图4.5差动角位移式电容传感器原理图4.1.2变间隙式基本的变间隙式电容传感器有一个定极板和一个动极板，如图4.6所示，当动极板随被测量变化而移动时，两极板的间距d就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量C。设动极板在初始位置时与定极板的间距为d0，此时的初始电容量为，当可动极板向上移动Dd

6、时，电容的增加量为（4.5）上式说明，DC与Dd不是线性关系。但当（即量程远小于极板间初始距离）时，可以认为DC与Dd是线性的。即（4.6）则有（4.7）传感器被近似看作是线性时，其灵敏度为（4.8）图4.7差动结构的变间隙电容传感器当动极板下移时的电容量和可由学生自行推导。由上式可见，增大S和减小d0均可提高传感器的灵敏度，但要受到传感器体积和击穿电压的限制。此外，对于同样大小的Dd，d0越小则Dd/d0越大，由此造成的非线性误差也越大。因此，这种类型的传感器一般用于测量微小的变化量。在实际应用中，为了

7、改善非线性，提高灵敏度及减少电源电压、环境温度等外界因素的影响，电容传感器也常做成差动形式，如图4.7所示。当可动极板向上移动Dd时，上电容C1电容量增加，下电容C2电容量减少，而其电容值分别为（4.9）（4.10）当«时，，即（4.11）此时传感器的灵敏度为（4.12）与基本结构间隙式传感器相比，差动式传感器的非线性误差减少了一个数量级，而且提高了测量灵敏度，所以在实际应用中被较多采用。例1．电容测微仪的电容器极板面积A=28cm2，间隙d=1.1mm，相对介电常数εr=1，εr=8.84×10-12F

8、/m求：（1）电容器电容量（2）若间隙减少0.12mm，电容量又为多少？解：（1）=（2）==25.26×10-12F例2．电容传感器初始极板间隙d0=1.2mm，电容量为117.1PF,外力作用使极板间隙减少0.03mm。求：（1）这测微仪测得电容量为多少？（2）若原初始电容传感器在外力作用后，引起间隙变化，测得电容量为96PF，则极板间隙变化了多少？变化方向又是如何？解：（1）Cx=（2）从117.1→96∴间隙增加了即间