第5章电容式传感器-PPT课件.ppt

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1、第5章电容式传感器概述1电容式传感器的工作原理和结构2电容式传感器的灵敏度和非线性3电容式传感器的等效电路4电容式传感器的测量电路5电容式传感器的应用61.电容式传感器的基本原理和三种结构；2.变极距型电容式传感器的测量原理；3.变面积传感器类型极其测量原理；4.变介质型电容式传感器的测量原理；5.差动变极距型电容式传感器的灵敏度极其相对非线性误差分析；6.电容式传感器的测量的测量路。本章知识点电容式传感器的工作原理、灵敏度、相对非线性误差分析、测量电路；本章重点本章难点电容式传感器的测量电路分析!5.0概述1.电容传感器电容式传感

2、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。电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一。2.特点结构简单、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，成为一种很有发展前途的传感器。3.应用压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。5.1电容式传感器的工作原理和结构Adε当被测参数变化使得式中的A、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出

3、。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为1.基本工作原理电容式传感器可分为：（1）变极距型变面（2）变面积型（3）变介电常数型（1）变极距型2.结构形式（2）变面积型（3）变介电常数型5.1.1变极距型电容传感器当传感器的εr和A为常数，初始极距为d0时，由式（5-1）可知其初始电容量C0为图5-2变极距型电容式传感器1.工作原理若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有若Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，则式图5-3电容量与极板间距离的关系1.在Δd/d0很

4、小时，近似线性关系;2.d0小灵敏度高。（1）只有在Δd/d0很小时，才有C与Δd近似的线性关系，所以，这种类型的传感器一般用来测量微小变化量。（2）灵敏度Kc与初始极距δ0的成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。2.特点但d0过小，容易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。此时电容C变为图5-4放置云母片的电容器式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。此时，相当于两个电容串联，即：云母片的相对介电常数是空

5、气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间。式中的dg/ε0εg项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容量的变化。5.1.2变面积型电容式传感器1.测量线位移的变面积式电容传感器图5-5变面积型电容传感器原理图(a)单片式(b)中间极移动式

6、当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为式中C0=ε0εrba/d为初始电容。电容相对变化量为电容量C与水平位移Δx呈线性关系。图5-6电容式角位移传感器原理图2.测量角位移的变面积式电容传感器图5-6是电容式角位移传感器原理图。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发生改变，从而改变了两极板间的电容量。电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量电测中作为测量位移的传感器来使用。（1）当θ=0时式中：εr——介质相对介电常数；d0——两极板间距离；S0——两极板间初始覆盖面积。（2）当θ≠0时传感器的

7、电容量C与角位移θ呈线性关系。5.1.3变介质型电容式传感器测量液位高度；测量位移；测量纸张、绝缘薄膜的厚度；粮食、纺织品、木材、煤等非导电固体介质的湿度。1.测量液位的变介质型电容传感器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；内筒外径为d；外筒内径为D。图5-7电容式液位变换器结构原理图由物理学可知：同轴圆柱筒形圆板间的电容值为式中：ε——空气介电常数；C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值C1为液体有效高度h形成的电容，C0和C1等效为并联。此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。图5-8测量位移变介质型电

8、容式传感器2.测量位移的变介质型电容传感器图中两平行电极固定不动，极距为d0。相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。L0——极板的长度和宽度；b0——极板的长度和宽度；L——第二种介质进入