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《第四章-电容式传感器《传感器原理及应用》课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第四章电容式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，利用电容器的原理，把某些非电量的变化通过一个可变电容器转换成电容量变化的装置，称为电容式传感器。电容式传感器实质上是一个具有可变参数的电容器。2021/7/291优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。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。在以前学过的几种传感器中，那种可以实现非接触测量？2021/7/2922021/7/2932021/7/2942021/7/295
2、当被测参数变化使得式中的A,ε或d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。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。2021/7/296L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；Rs由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C为传感器本身的电容；Rp是极间等效漏电阻,极板间的漏电损耗和介质损耗;这部分损耗的影响通常在低频时较大，频率高，容抗减小，影响小。等效电路是一谐振电路，谐振频率为几
3、十兆赫兹，低于此频率（1/3或1/2）才能正常工作一、电容型传感器的等效电路4.2电容式传感器的类型及特点2021/7/297电容的实际相对变化量因此，电容传感元件的实际相对变化量与传感元件的固有电感（包括引线电感）及角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定时的条件相同，否则将会引入测量误差。2021/7/298二、电容型传感器的类型及特点1变极距式电容传感器2021/7/299当传感器的εr和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为：若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有：非线性误差
4、部分——高次项2021/7/2910由上式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图所示双曲线关系。通过观察可知：变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，C1与Δd才近似呈线性关系,才有近似的线性输出。2021/7/2911考虑：观察特性曲线，为了提高灵敏度，应使当d小些还是大些？由上图可以看出：在d0较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。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2021/7/
5、2912上式中: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。000eeeddACgg+=2021/7/2913云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,由于(dg/ε0εg)项是恒定值,它能使传感器的线性度得到改善。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/
6、10,故在微位移测量中应用最广。虽然放置云母片后，传感器的输出特性的线性度得到改善，但在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。2021/7/29142021/7/29152021/7/2916则差动电容式传感器的灵敏度K0为电容式传感器的相对非线性误差δ近似为2021/7/29172021/7/2918角位移板状筒形2变面积式电容传感器角位移：极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ度时，两极板的遮盖面积A↓→电容量↓。板状线位移：极板2可以左右移动。极板1固定不动。筒形：外圆筒不动，内圆
7、筒在外圆筒内作上、下直线运动。2021/7/2919下面以板状线位移为例2021/7/2920变面积式电容传感器的灵敏度和那个参数有关系？变极距式电容传感器的灵敏度和那个参数有关系？2021/7/2921当θ=0时，则当θ≠0时，则以角位移为例2021/7/2922因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。电容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式物（液）位传感器就属于这种情况。下面仅以电容式位移传感器为例来说明。图中两平行电极固定不动,电介质以不同深度插入电容器中,
8、从而改变两种介质的极板覆盖面积。3变介电常数式2021/7/2923若电介质εr1=1，当L=0时，传感器初始电容当被测介质εr2进入极间L深度后，引起电容相对变化量为电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。2021/7/2924圆筒形变介电常数式2021/7/2925ε1：液体介质的介电常数ε0:空气的介电常数；H:电极板的总长度；d
