传感器及其应用_第4章电容式传感器ppt课件.ppt

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1、第4章电容式传感器及应用掌握电容式传感器工作原理 。了解电容式传感器主要类型及各自的主要特点。了解解电容式传感器的测量电路和主要应用。7/27/20211将被测量的非电量转换为自身电容的一种传感器。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:当被测量d、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。4.1电容式传感器工作原理式中　——真空介电常数，8.85×10-12（F/m）；——极板间介质的相介电常数；——极板相互遮盖的面积(m2)；d——极板距离(m);——介质的相对介电常数。7/27/202121

2、.空气介质极距变化型极距变化型电容式传感器的结构原理见下图。根据式4.2电容式传感器的类型一、极距变化型(3.4-3)当极板间距减小d时，电容为：电容增量为：7/27/20213当d/d0<<1时，忽略非线性项，有：电容相对变化量当极板间距增大d时，电容相对变化量灵敏度相对非线性误差7/27/20214实际中，为了提高灵敏度等常采用差动形式。7/27/20215则有灵敏度非线性相对误差7/27/202162、加固体介质的极距变化型电容传感器减小间隙能提高灵敏度，但又易击穿，为此，经常在两极片间加一层介电常数值高一些的介电物质，如云母、塑料膜等。7/27/20217二、面积变

3、化型包括线位移型（平面线位移和圆柱体线位移）和角位移型两种。7/27/20218线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。(3.4-8)1.平面线位移型相对变化灵敏度7/27/20219灵敏度为2.角位移型电容变化量灵敏度3.圆柱形线位移型起始电容为7/27/202110当有位移△x时7/27/202111构成差动筒型电容传感器时7/27/202112三、介质变化型这种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位等。(3.4-12)(3.4-13)7/27/202113如右图，厚度为2的介质（2为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量

4、改变。设电容器极板宽度为b，介质2的宽度大于等于b。7/27/202114当极板间无介质2时，存在介质时，C=CA+CB（并联）其中：1=-2从而：7/27/202115显然，灵敏度为常数，输入输出成线性关系。灵敏度7/27/2021164.3电容式传感器的测量电路一、普通交流电桥初始二、变压器电桥7/27/202117当C1，C2为差动电容传感器的电容时，则有也可以用右边的电桥uiUi/2Ui/2C1C2放大相敏检波滤波7/27/202118三、调频电路7/27/202119四、运算放大器电路五、电容式传感器特点1.功率小、阻抗高；2.静电力小、动态特性好；3.本身发

5、热量小；4.结构简单；5.初始电容小，分布电容、寄生电容影响大。7/27/2021204.4电容式传感器误差分析、补偿及应用一、误差分析和补偿1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘性。2.消除和减小边缘效应。7/27/2021213.消除和减小寄生电容的影响①增加原始电容值可减小寄生电容的影响。②注意传感器的接地和屏蔽。③尽量采用差动式电容传感器，可减小非线性误差，提高灵敏度，减小寄生电容的影响以及减小干扰。二、电容式传感器应用1.电容式压力传感器7/27/2021222.电容式位移传感器3.电容式加速度传感器7/27/2021233.电容式液位传感器7/27/

6、202124三、MEMS电容加速度传感器7/27/2021257/27/2021267/27/2021277/27/2021287/27/202129四、电容传感器应用示例例1.有一变极间距离的差动电容传感器，其结构如图6－20所示，选用变压器交流电桥作为测量电路。差动电容器参数：r=12mm,d1=d2=d0=0.6mm,空气介电常数ε＝ε0＝8.85×10-12F/m；测量电路参数：Usr=3sinωt(V).试求动极板上输入位移（设向上位移）△x＝0.05mm时，电桥输出端电压Usc?解：起始时C1=C2=C07/27/202130因△x<

7、入usc,在条件△C1=△C2=△C下化简有7/27/202131加入相敏检波和滤波电路后的电路为例2.电容式汽车油箱油位计7/27/202132（1）油位传感器的结构设陶瓷管的外径为R，内径为r，两电极端面的初始角为2α0，并设电极厂为H，陶瓷管和空气的复合介电常数为ε∑,则有无油时的初始电容C0复合介电常数ε∑7/27/202133当传感器浸入油面的深度为h时，传感器的电容为因此，传感器的结构确定后，其电容与浸入油面的深度h成线性关系。（2）测量电路其中7/27/202134