電容傳感器論文

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1、枷3伉摞濱江學(xué)院論文報(bào)告題目電容式傳感器姓名學(xué)號(hào)20102305911學(xué)院濱江學(xué)院專業(yè)電子信息工程年級(jí)10級(jí)指導(dǎo)老師2013年6月15H引言用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測(cè)的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。菖從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無(wú)源變換器，需要將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、

2、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無(wú)不與長(zhǎng)度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過(guò)長(zhǎng)度或者長(zhǎng)度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測(cè)量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到1?5Um數(shù)量級(jí)；而有一種電容測(cè)微儀，他的分辨率為0.01Pin,比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最大量程為100±5um,因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞

3、。菖對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來(lái)說(shuō)采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：雋(1)測(cè)量范圍大其相對(duì)變化率可超過(guò)100%；菖(2)靈敏度高如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)107數(shù)量級(jí)；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量；聶(4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無(wú)機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)幅射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題

4、。電容式傳感器工作原理電容式傳感器也常常被人們稱為電容式物位計(jì)，電容式物位計(jì)的電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量為C=2neL/lnD/d,式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實(shí)際測(cè)量中D、d、e是基本不變的，故測(cè)得C即可知道液位的高低，這也是電容式傳感器具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高，價(jià)格便宜等特點(diǎn)的原因之一。電容式傳

5、感器優(yōu)缺點(diǎn)電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。原理及應(yīng)用聶電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類:2.1改變極板遮蓋面積的電容傳感器聶圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1(a)中是利用角位移來(lái)改變電容器極板遮蓋面積

6、。假定當(dāng)2塊極板完全遮蓋時(shí)的面積為S。，兩極板間的距離為d,極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為￡o當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，該電容器的電容量為：c一豈如果其中一塊板極相對(duì)另一極板轉(zhuǎn)過(guò)0角，則極板間的相互遮蓋面積為:5

7、=S?—纟So=So(]—ta而電容■也就變化了.其值為：eS曲1_￡)0C=7=d=G-G不這禪電容器的電容變化■為；AC=C—C°n-Cq2(1)可見(jiàn)，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來(lái)測(cè)量角位移。菖圖1(b)中是利用線位移來(lái)改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋，則遮蓋面積S°

8、=ab,當(dāng)2塊極板相對(duì)位移x時(shí)，則極板的遮蓋面積變?yōu)镾t=b(a-x)o在介電常數(shù)和極板距離不變時(shí)，電容量分別為：電容的變化■為：AC-C-C0=-C.-(2>a聶可見(jiàn)，此電容量的變化值和線位移X成正比，用他來(lái)測(cè)量各類線位移。圖1(c)所示電容變換器是圖1(b)所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n,尺寸如圖1(b)所示不變，當(dāng)運(yùn)動(dòng)齒相對(duì)于固定齒移動(dòng)一個(gè)位移x時(shí)，則可得:比較式(2)和式(3)可見(jiàn)，靈敏度提高了n倍。7/“dyLFLCtp/：?(C)改變帳板

9、覇■面枳的屯&傳$0示Jt掃2.2改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器聶圖2是2種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。圖2Q)常用來(lái)檢測(cè)液位的高度，圖2(b)常用來(lái)檢測(cè)片狀材料的厚度和介電常數(shù)。(?)陽(yáng)2改金介決介電竜敢的圖2(a)中由圓筒1和圓柱2構(gòu)成電容器兩極,假定部分浸入被測(cè)量液體中(液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電極需作絕緣處理)。這樣，極板間的介質(zhì)由2部分組成:空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。這種方