中南大学传感与检测pptch5-电容传感器ppt课件.ppt

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1、第5章电容式传感器5.电容式传感器概述原理：利用电容器将非电量转换成电容量变化。其传感作用的实质是一个可变参数电容器。电容式传感器的特点：①受本身发热影响小②静态引力小③动态响应好④结构简单，适应性强⑤可进行非接触式测量主要不足：①输出阻抗较高、带负载能力差；②寄生电容影响大应用：测量压力、位移、角度、加速度、物位、湿度和成分介质特性等。5.1工作原理与结构类型1）基本工作原理(以平板电容器为例)忽略边缘效应时，金属平板作电极构成的电容器的电容为式中：S—极板相对覆盖面积；—极板间距离；r—相对介电常数

2、；0—真空介电常数，0＝8.85pF/m；—极板间介质的介电常数。上式中，、S和r中的某一项或几项变化可改变C。或S的变化可反映线位移或角位移的变化，也可间接反映压力、加速度等的变化；r变化可反映液面高度、材料厚度等变化。Sδε5.电容式传感器5.1工作原理与结构类型2）电容传感器的三种基本结构类型①变极距(间隙)型；②变面积型(S)型；③变介电常数(r)型下图给出了常见结构形式5.电容式传感器说明：图(b)、(c)、(d)、(f)、(g)、(h)为变面积型位移传感器结构，图(a)和(e)

3、为变极距型位移传感器结构，图(i)～(l)为变介电常数型结构。5.2变极距型电容传感器极板1固定不动，极板2为可动极，当动极板随被测量变化而移动时，两极板间距变化，使电容量的变化为变极距型电容传感器特点：电容的变化量与极距的变化量呈近似线性关系，所以变极距型传感器设计成极距在极小范围内变化。针对原理上的非线性，常用差动结构来改善，并可减小外界因素影响(电压波动、环境温度)。δ21CC0C-特性曲线式中，C0是极距为时的初始电容量，极距相对变化/<<1.5.电容式传感器5.3变极距型传感器的性能与改

4、善措施-差动结构1）主要性能(1)静态灵敏度变极距型的静态灵敏度Kg为：可知：灵敏度是初始极距的函数，同时随被测量变化。减小可提高灵敏度，但过小易致电容器击穿(空气的击穿电压为3kV/mm)。一种对策：在极间加一层云母片(其击穿电压大于103kV/mm）或塑料膜来改善电容器耐压性能。5.电容式传感器C与被测量为非线性关系，仅当∆/<<1时，略去各非线性项后才得到近似线性关系C＝C0(∆/)。的取值不能大，否则降低灵敏度。因此变极距型只宜工作在一个较小的范围内(1cm至零点几mm)，且∆最

5、大应小于极板间距的1/5～1/10。1）主要性能(2)非线性当变极距型传感器的极距变化时，其电容及其相对变化为:5.3变极距型传感器的性能与改善措施-差动结构5.电容式传感器与前述单一电容传感器的电容相对变化对比可知，差动结构使传感器的非线性得到改善的同时，灵敏度也提高了一倍。2）差动结构型变极距传感器采用图示差动结构形式，取上下两电容之差为输出。5.3变极距型传感器的性能与改善措施-差动结构5.电容式传感器当极板间距和介电常数为常数，而平板电容器的面积为变量的传感器称为变面积式电容传感器。变极板面积型电

6、容传感器有线位移和角位移两种。线位移型电容式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。(1)平面线位移型传感器：如图a所示，其电容量为：5.4变面积型传感器灵敏度为：5.电容式传感器5.4变面积型传感器(2)圆柱型线位移传感器：如上图b所示，电容量为：灵敏度为：(3)角位移型传感器：如图c所示，其电容量为：灵敏度为：变面积型电容传感器的输出与输入呈线性关系，但灵敏度比变极矩型低，适用于测量较大的线、角位移。变面积型电容器常用差动形式，使传感器的输出和灵敏度均可提高一倍。5.电容式传感器该类型大多用来测电介质的

7、厚度、液位及利用极间介质的介电常数随温度、湿度改变测介质材料的温度、湿度等。若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如图，传感器的电容量与被厚度的关系为δx厚度传感器C1C2C3C5.电容式传感器5.5变介电常数型电容传感器式中，为极板间距，0是空气的介电常数，是介质的介电常数，ab是极板的面积。介质的厚度不同或变化，通过传感器的电容量变化来反映。若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为：C1C2C3CC4a、b、lx:定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；

8、:两固定极板间的距离；x、、0:被测物厚度及其介电常数、空气的介电常数。l平板形lx5.电容式传感器5.5变介电常数型电容传感器若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为液位传感器CC1C2可见，传感器电容C与被测液位高度hx成线性关系。忽略边缘效应时，变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容式传感器有很好的线性，但实际上边缘效应引起极板间电场分布不均匀，导致非线性仍然存在，且灵敏