5第五章电容式传感器1

传感器原理及工程应用第5章电容式传感器主要内容：5.1电容传感器工作原理和结构5.2电容传感器输出的灵敏度和非线性5.3电容传感器的等效电路5.4电容式传感器的测量电路5.5电容式传感器的应用传感器原理及工程应用第5章电容式传感器本章重点：掌握不同类型电容式传感器的构造原理、特性及用途。学会分析差动式电容传感器的灵敏度、非线性误差。掌握电容式传感器测量电路。传感器原理及工程应用第5章电容式传感器概述电容式传感器的特点是：•小功率、高阻抗;本身发热影响小;•电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗;•静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；•可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；•可进行非接触测量。传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。传感器原理及工程应用第5章电容式传感器概述电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器传感器原理及工程应用第5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容器C可以通过改变A—面积，称变面积型传感器—距离，称变极距型传感器—介质，称变介质型传感器ACdddAε传感器原理及工程应用第5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型变极距型传感器：传感器原理及工程应用第5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型变面积型传感器：传感器原理及工程应用第5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型变介质型传感器:传感器原理及工程应用第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）0rAACdd00ACd初始电容0ddd0CCC当减小时电容C增加dCddεΔdC0ddCΔC传感器原理及工程应用第5章电容式传感器0000001(1)1AACCCCddddddd000000000/1111/1/1/ddCCCCCCCdddddd电容为：增加的电容量为：电容的相对变化量:10001CddCdd5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）传感器原理及工程应用第5章电容式传感器讨论：（1）在条件下我们忽略高次项。变极间距所产生的电容的变化量△C与极板间距的变化量△d之间近似线性关系。即：0dd00dCCd00CdCd0000dCCCCCd5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）123000000011()()CddddddCdddddd传感器原理及工程应用第5章电容式传感器（2）非线性误差。由于电容量△C与△d不是线性关系，只有当忽略高次项后才能得到近似线性关系。也就存在一个相对非线性误差δ。非线性误差和有关，如果当时，则非线性误差δ就在2％～10％之间。也就是说，在d产生微小变化△d时，会产生比较大的非线性误差。显然这种单极板式变间距型传感器适用于微小位移的测量2000100%100%dddddd0dd00.02~0.1dd01dd5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）传感器原理及工程应用第5章电容式传感器（3）灵敏度：平板型改变极间距的电容式传感器的灵敏度为:电容的相对变化量和极板间距离的变化量之比。虽然d0越小灵敏度K越高，但灵敏度越高非线性误差就会增加。这就存在矛盾。另外当d0过小时容易引起电容器的击穿。001()CCKdd5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）2000100%100%dddddd传感器原理及工程应用第5章电容式传感器0gd0g云母相对介电系数空气介电系数d云母片的厚度空气隙厚度000ggAdd000000000ggggggggAddAACddAdAddd00000000ggggggCCAAAACddddCC（4）改善击穿条件的办法就是在极板间放置云母片。此时电容器相当于介质为空气的电容器C0和介质为云母片的电容器Cg相串联。这个电容器的总电容为：5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）传感器原理及工程应用第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）结论：•要提高传感器灵敏度K应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制；•非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移；变极距型电容传感器适合测小位移；•起始极距使误差与灵敏度之间相矛盾，为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。0d传感器原理及工程应用第5章电容式传感器210000001[1()]1ddCCCCCdddd5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）差动结构的电容特征方程式为（当动极板向上移动时）22000[1()]ddCCdd传感器原理及工程应用第5章电容式传感器动极板定极板定极板C1d1C2d25.2电容传感器输出特性1变极距型（d）电容的相对变化量2400002[1()()]CdddCddd电容特征方程忽略高次项得：002CdCd3120002[()]ddCCCCdd电容的总的变化量传感器原理及工程应用第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）结论：•差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，•非线性误差减小（多乘因子）。0/dd0012CCKdd传感器（差动式）灵敏度20()100%dd相对非线性误差为传感器原理及工程应用第5章电容式传感器