传感器原理与应用课程讲稿

《传感器原理与应用课程讲稿》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、传感器原理与应用课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第三章电容式传感器授课方式（请打√）理论课R讨论课□实验课□习题课□其他□课时安排6教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握变间隙式、变面积型、变介质型电容传感器的测量原理；了解电容式传感器的等效电路；掌握调频式、运算放大器式、脉冲宽度调制式测量电路；了解电容式传感器的实际应用。教学重点、难点及关键知识点：重点：变间隙式、变面积型、变介质型电容传感器的测量原理；调频式、运算放大器式、脉冲宽度调制式测量电路；难点：高介电常数的材料作介质时电容传感器特性；柱面

2、板结构、并联柱面结构；脉冲宽度调制式测量电路；方法及手段板书与多媒体相结合教学基本内容（教学过程）改进设想第三章电容式传感器第一节电容式传感器的工作原理和结构一、基本工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，其电容量为：式中:ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；A——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。当被测参数变化使得上式中的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

3、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、变面积型和变介电常数型三种。1、变极距型电容传感器ε和A为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为传感器原理与应用课程讲稿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，则有由C0式可以看出，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εg——云母的相对介

4、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。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1/10，故在微位移测量中应用最广。2、变面积型电容传感器（1）直线位移型电容量C与水平位移Δx呈线性关系。(2)角位移型当θ≠0时，则传感器原理与应用课程讲稿3、变介质型电容式传感器(1)常用变介质型(2)并联柱面结构用于测量液位高低。设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，

5、内筒外径为d，外筒内径为D。电容增量正比于被测液位高度h。(3)并联平面板结构传感器原理与应用课程讲稿二、差动式电容传感器1、变面积型差动电容传感器（1）平面板结构直线位移型位移x4a定极板动极板定片长4a，宽b动片长2a，宽b静态时：动态时：（2）圆柱面结构直线位移型静态时：动态时：（3）平面扇形变面积角位移结构静态时：动态时：传感器原理与应用课程讲稿定片动片2、变极距型差动电容传感器静态时：动态时：三、电容传感器输出特性在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的

6、间隙d2变为d0+Δd,则电容值相对变化量为如果只考虑ΔC/C0式中的线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差r近似为当

7、Δd/d0

8、<<1时，上式可按级数展开，可得由上式可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，传感器原理与应用课程讲稿四、电容传感器等效电路在这种情况下，电容的实际相对变化量为表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L和角频率ω有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。第二节误差的因素及改进措施L一、温度对电容器结构尺寸的影响因为传感器各零件的材料不

9、同，具有不同的温度膨胀系数，因此，环境温度变化后气隙厚度变为：整理得：在设计电容传感器时，应首先根据合理的初始电容量决定间隙，然后根据材料的线膨胀系数选择材料的合适尺寸，满足温度补偿条件的要求，达到温度补偿的作用。二、外界干扰的影响1、屏蔽和解地。用良导体作传感器壳体，将传感器元件包围起来，并可靠接地；用金属网套住导线彼此绝缘（即屏蔽电缆），金属网可靠接地；用双层屏蔽线可靠接地；用双层屏蔽罩且可靠接地；传感器与测量电路前置级一起装在较好的屏蔽壳体内并可靠接地等等。2、增加原始电容值，以降低容抗，减小被干扰电容淹没

10、的危险。传感器原理与应用课程讲稿3、减小导线间的分布电容的静电感应，因此导线与导线之间远离，距离尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用屏蔽电缆线。4、减少接地点，尽可能一点接地，地线要用较粗的良导体或宽印制线。5、尽量采用差动式电容传感器，可提高传感器灵敏度，减小非线性误差。三、温度对介质的介电常数的影响传感器的电容值与介质的介电常数成正比。因此若某些介质的介电常