3.4 电容式传感器d

3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点3.4.4电容式传感器的应用上一页下一页返回3.4.1电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器上一页返回下一页1.工作原理及类型dSdSCr0S——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数，；ε——电容极板间介质的介电常数。dSε上一页返回下一页变极距(d）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)上一页返回下一页2.变极距型电容传感器dsCr00200001)1(1ddddCddCddsCCCr非线性关系若△d/d1时，则式（3.4.3）可简化为ddCCC00若极距缩小△d最大位移应小于间距的1/10差动式改善其非线性初始电容上一页返回下一页3.变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为dbxaCCCr)(00△C与△x间呈线性关系上一页返回下一页电容式角位移传感器0000dsCr00000)1(CCdSCr当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系上一页返回下一页4.变介电常数型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容电容式液位传感器电容与液位的关系为：上一页返回下一页可见C∝h02010021)(dLLLbCCCrr当εr1=1，L=0时，初始电容0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为02000)1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量L呈线性关系上一页返回下一页3.4.2电容式传感器主要性能1.静态灵敏度被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比2.非线性上一页返回下一页变极距型，其静态灵敏度为)/11(0dddCdCkg1/dd将上式展开成泰勒级数得43201dddddddddCkgdkg但d过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm)在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能差动结构也可提高灵敏度上一页返回下一页平板式变面积型b△aadabdSC0aaCdabdbaadabC0dbaCaCkg0bdkg减小d、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度上一页返回下一页2.非线性变极距型ddddCdddCC/1100d1/dd将上式展开成泰勒级数得3201ddddddddCC1/dd)/(0ddCCd取值不能大，否则将降低灵敏度mmmdd9.0~01.0)51~101(上一页返回下一页采用差动形式，并取两电容之差为输出量4202112ddddddCddSddSCCC差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍如果采用容抗作为电容式传感器输出量XCC1/()dSCXc11dd被测量与d成线性关系无需满足上一页返回下一页3.4.3传感器的特点优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）2.结构简单、适应性强3.动态响应好4.可以实现非接触测量、具有平均效应上一页返回下一页动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。返回缺点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度上一页返回下一页差动技术的运用减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响上一页返回上一页返回下一页3.4.4电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器上一页返回下一页P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电容式差压传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(0～0.75Pa)、真空或微小绝对压力.需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可上一页返回下一页231B面A面546Cx1Cx21、5－固定极板2－壳体3－簧片4－质量块6－绝缘体精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度电容式加速度传感器上一页返回下一页a)测振幅b)测轴回转精度和轴心动态偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器电容式位移传感器应用上一页返回下一页