(传感器技术)第3章电容式传感器

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1、传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术主讲人：主讲人：吴琼水吴琼水Tel:13307192861Tel:13307192861QQQQ：261564789261564789Email:qswu@whu.edu.cn武汉大学电子信息学院光谱成像实验室第第第第第第第第33333333章章章章章章章章电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器概述第3章电容式传感器各种电容式传感器示例电容式接近开关电容式变送器电容式指纹传感器差压传感器概述第3章电容式传

2、感器各种电容式传感器示例飞机油量检测炸弹延时起爆电容式加速度传感器概述第3章电容式传感器各种电容式传感器示例测量管道液位高度测量管道液位高度硅微电容式传感器硅微电容式传感器概述第3章电容式传感器电容器是电子技术的三大类无源元件电容器是电子技术的三大类无源元件电容器是电子技术的三大类无源元件电容器是电子技术的三大类无源元件电容器是电子技术的三大类无源元件((((电阻、电感和电容电阻、电感和电容电阻、电感和电容电阻、电感和电容))))之一。之一。之一。之一。之一。利用利用利用利用电容器电容器电容器电容器的原理，将非电量转换成电的原理，将非电量转

3、换成电的原理，将非电量转换成电的原理，将非电量转换成电容量容量容量容量,,,,进而实现非电量到电量的转化的器件进而实现非电量到电量的转化的器件进而实现非电量到电量的转化的器件进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为或装置，称为或装置，称为或装置，称为电容式传感器。电容式传感器。电容式传感器。电容式传感器。电容式传感器。它实质上是一个具有它实质上是一个具有它实质上是一个具有它实质上是一个具有可变参数可变参数可变参数可变参数的电容器。的电容器。的电容器。的电容器。概述第3章电容式传感器与电阻式、电感式传感器相比的优点：1.测量范围大：相对变

4、化量可达100%。2.灵敏度高：可达10-7。3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。概述第3章电容式传感器与电阻式、电感式传感器相比的不足之处：1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此

5、寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。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。电容式传感器第3章电容式传感器3.1电容式传感器的工作原理3.2电容式传感器的测量电路3.3电容式传感器的误差分析3.4电容式传感器的应用示例3.1工作原理第3章电容式传感器两个平行极板组成一个电容器，若忽略边缘效应，它的电容量dC应为：Sε⋅ε⋅S0rC=ε=ddε——极板间介质的介电系数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；εr——极板间介质的相对介电常数.对于空气介质，εr≈1。

6、。S——极板间相互覆盖面积（m2）；d——极板间距离（m）；3.1工作原理第3章电容式传感器Sε⋅ε⋅SC=ε=0rdd等式右边的三个参数改变任何一个都可以使电容值C发生变化。这就是电容传感器的基本工作原理。电容式传感器电容式传感器变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型变极板间距型变极板间距型变面积型电容传感器3.1基本工作原理ε⋅ε⋅SC=0rdθ定片εSθ=0，动片C0=dθ≠0，C=C(1−θπ/)θ0（a）角位移式因此，C与角位移θ呈线性关系。θ变面积型电容传感器3.1基本工作原理当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面

7、积S，电容量C同样随之ε⋅Sε0⋅εr⋅SC==变化。ddεabx=0，C0=dx≠0，εba(−x)εbC==C−xx0dd⎛x⎞=C⎜1−⎟0⎝a⎠因此，C与位移x呈线性关系。b）直线位移式x变面积型电容传感器3.1基本工作原理θ定片动片b）直线位移式（（a）角位移式⎛x⎞C=C(1−θπ/)C=C⎜1−⎟θ0x0⎝a⎠CC0灵敏度系数K=−0灵敏度系数K=−πa变面积型电容传感器不论是角位移式还是直线式，传感器的电容值都与引起遮盖面积变化的因素（转角θ或直线位移x）呈线性关系。且灵敏度系数K与初始电容C0呈正比。变面积型电容传感器3.

8、1基本工作原理2πεL初始电容C0为：C=00DD1ln0D1x当内筒上移x时，内外筒间的电容C为：Lx2πε0(Lx−)⎛x⎞C==C⎜1−⎟x0DLln0⎝⎠D0D1与x成线