電容式傳感器

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1、課題第四章電容式傳感器第一節(jié)　電容式傳感器的基本概念及主要特點(diǎn)第二節(jié)　電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式課型新課授課班級(jí)授課時(shí)數(shù)2教學(xué)目標(biāo)1．理解電容式傳感器的基本概念和特點(diǎn)。2．掌握電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式。教學(xué)重點(diǎn)1．電容式傳感器的基本概念。2．電容式傳感器的工作原理及3種結(jié)構(gòu)形式。教學(xué)難點(diǎn)三種類型電容式傳感器的電容變化量計(jì)算。學(xué)情分析教學(xué)效果教后記11新授課A、復(fù)習(xí)電阻式傳感器。B、新授課第一節(jié)　電容式傳感器的基本概念及主要特點(diǎn)一、基本概念電容式傳感器是以不同類型的電容器作為傳感元件，并通過(guò)電容傳感元件把被測(cè)物理

2、量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，然后再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等信號(hào)輸出的測(cè)量裝置。二、主要特點(diǎn)①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。②功率小、阻抗高、輸出信號(hào)強(qiáng)。③動(dòng)態(tài)特性良好。④受本身發(fā)熱影響小。⑤可獲得比較大的相對(duì)變化量。⑥能在比較惡劣的環(huán)境中工作。⑦可進(jìn)行非接觸式測(cè)量。⑧電容式傳感器的不足之處。主要是寄生電容影響比較大；輸出阻抗比較高，負(fù)載能力相對(duì)比較大；輸出為非線性。第二節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式一、工作原理電容式傳感器的工作原理可以從圖4-1所示的平板式電容器中得到說(shuō)明。由物理學(xué)可知，由兩平行極板所組成的電容器，如果

3、不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為圖4-1平板式電容器式中，A——兩極板相互遮蓋的面積（mm2）d——兩極板之間的距離（mm）ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）由以上計(jì)算公式可見(jiàn)，當(dāng)被測(cè)量使A，δ，ε三個(gè)參數(shù)中任何一項(xiàng)發(fā)生變化時(shí)，電容量就要隨之發(fā)生變化。二、結(jié)構(gòu)形式1．變面積（A）型電容式傳感器變面積型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖4-2所示。圖中（a）、（b）為單邊式，（c）為差分式；（a）、（b（提問(wèn)）（與電阻是對(duì)比介紹）（簡(jiǎn)要分析原因）（講解）11）也可做成差分式。圖中1，3為固定板，2是與被測(cè)物相連的可動(dòng)板，當(dāng)被測(cè)物體帶動(dòng)可動(dòng)

4、板2發(fā)生位移時(shí)，就改變了可動(dòng)板與固定板之間的相互遮蓋面積，并由此引起電容量C發(fā)生變化。對(duì)于如圖4–2（a）所示的平板式單邊直線位移式傳感器，若忽略邊緣效應(yīng)，其電容變化量為4-2變面積型電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）單邊直線位移式（b）單邊角位移式（c）差分式式中，b——極板寬度a——極板起始遮蓋長(zhǎng)度Δa——?jiǎng)訕O板位移量ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)δ——兩極板間的距離C0——初始電容量這種平極單邊直線位移傳感器的靈敏度S為S=ΔC/dx=εb/δ=常數(shù)對(duì)于如圖4-2（b）所示的單邊角位移型傳感器，若忽略邊緣效應(yīng)，則電容變化量為式

5、中，α——覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角度r——極板半經(jīng)?α——?jiǎng)訕O板的角位移量這種單邊角位移式傳感器的靈敏度為式中，A0——電容器起始覆蓋面積θ——?jiǎng)影宓慕俏灰屏繉?shí)際應(yīng)用時(shí)，為了提高電容式傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差分式，如圖4-2（c）所示。中間的極板2為動(dòng)板，上、下兩塊（即板1和3）為定板。當(dāng)動(dòng)板向上移動(dòng)一個(gè)距離x后，上極距就要減少一個(gè)x，而下極距就要增加一個(gè)x，從而引起上、下電容變化。差接后的這種傳感器靈敏度可提高一倍。2．變極距（δ）型電容式傳感器圖4-3為變極距型電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。圖中1和3為固定極

6、板，2為可動(dòng)極板（或相當(dāng)于可動(dòng)極板的被測(cè)物），其位移由被測(cè)物體帶動(dòng)。從圖4-3（a），（b）（講解）（講解）（區(qū)別三種變面積型電容式傳感器）11可看出，當(dāng)可動(dòng)極板由被測(cè)物帶動(dòng)向上移動(dòng)（即δ減小）時(shí)，電容值增大，反之電容值則減小。圖4-3變極距型電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（a）被測(cè)物與可動(dòng)極板相連（b）被測(cè)物為可動(dòng)極板（c）差分式設(shè)極板面積為A，初始距離為δ0，以空氣為介質(zhì)時(shí)，電容量C0為C0=ε0A/δ0。當(dāng)間隙δ0減小Dδ變?yōu)棣臅r(shí)（設(shè)Dδ<<δ0），電容C0增加DC變?yōu)镃，即圖4-4C—d特性曲線圖電容C與間隙δ之間的變化特性

7、如圖4-4所示。電容式傳感器的靈敏度用S表示，其計(jì)算公式為在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了改善其非線性、提高靈敏度和減小外界的影響，通常采用圖4-3（c）所示的差分式結(jié)構(gòu)。這種差分式傳感器與非差分式的相比，靈敏度可提高一倍，并且非線性誤差可大大降低。差分式電容式傳感器的靈敏度計(jì)算公式為S（差）=DC/C=2?δ/δ。3．變介電常數(shù)（ε）型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖4-5所示。其中圖（a）中的兩平行極板為固定板，極距為δ0，相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變了兩種介質(zhì)極板的覆蓋面積。于是傳感

8、器總的電容量C應(yīng)等于兩個(gè)電容C1和C2的并聯(lián)之和，即圖4-5變介電常數(shù)型電容式傳感器（講解）（講解）11（a）電介質(zhì)插入式（b）絕緣物位檢測(cè)式中，l0，b0——極板的長(zhǎng)度和寬度l——第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度當(dāng)介質(zhì)1為空氣，l=0時(shí)，傳感器的初始電容C0=ε0εrl0b0/δ0；當(dāng)介質(zhì)2進(jìn)