第3章 电容式传感器1

第三章电容式传感器以电容器为敏感元件，将被测物理量变化转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容式传感器变间隙型变面积型变介质型SC•电容式传感器的优点：•①功率小、阻抗高；•②小的静电引力和良好的动态特性；•③本身发热影响小；•④可进行非接触测量。缺点：•寄生电容影响较大。即连接导线电容和本身的泄漏电容。寄生电容降低灵敏度，引起非线性误差，甚至致使传感器处于不稳定工作状态；•用变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。ε——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。3.1电容式传感器的工作原理及特性3.1.1基本工作原理平行极板电容器的电容量为：0r31SSC（）+-极板2上移：设动极板未移动时极板间距为δ0初始电容量为：电容的相对变化量为：000021CC（3）00SC000000CSSSC3.1.21.变极距型电容传感器略去高次项，得：）（4300CC所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δδδ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。时，当10/23000001......33CC（）0122000136CCSs（）非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为：2000100%35r（）（）传感器的灵敏度为：动极板定极板定极板C1δ1C2δ2差动式变间隙型电容传感器动极板上移时：初始位置时，00,021SC0201,1000011CSCCC1000021CSCCC时，当10/......CC30200011......CC3020002131200022......38CCCC（）01200S22312CCs（）32000100%100%311r（）提高一倍减小略去高次项：电容量的相对变化为：2400002139CC（）（）（）非线性误差为：灵敏度：002310CC（）2.变面积型电容传感器(角位移变面积型)0CCθ定片动片（a）角位移式，0SC0，00011313SCCCC（）电容的相对变化量为：b（b）直线位移式aδx板状线位移变面积型线性当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S，电容量C同样随之变化。axCC0001314xbaxxCCCCa（）电容的相对变化量为：初始电容C0为：10002DDlnLCLxCDDlnxLC1201001当内筒上移x时，内外筒间的电容C1为：D1D0Lx与x成线性关系LCC0x同心圆筒形线位移电容式传感器(a)厚度传感器δx3.(a)单组式平板形厚度传感器图3-6厚度传感器的等效电路CC1C2C3设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测物的厚度和它的介电常数分别为δx和εabC1x2abC1C10x31321C1C111CCδx0315xxabC（）xababx2CxCC100xxxxxx)()(C)(CabCCCC11111000000000时，当1/x电容的相对变化量为：ε1CBld2d1ε2xCA(b)线位移传感器图3-7线位移传感器等效电路CACBC单组式平板形线位移传感器设极板宽度为b，板间无介质ε2时，传感器的电容量为：0112316blCdd（）插入介质ε2后的电容量为：112221111317ABCCCbxblxdddd（）1C221112100022111210ddddlxCClxlCddddlxε1CBld2d1ε2xCA12121210ddlxCC所以:120011221318xCCCdld（）2211221200ddddlxCC电容的相对变化量为：(c)液位传感器图3-8液位传感器的等效电路C2C1C圆筒式液位传感器首先12002r/rlnhC12002r/rlnhC2r22r1hhx1212r/rlnhCx12022r/rlnhhCxRRF02121002121000022ln/ln/22ln/ln/319xxxxhhhCrrrrhhrrrrCChh（）hhCCx000与被测液位hx成线性关系。12002r/rlnhC2r22r1hhx