電容式傳感器

《電容式傳感器》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第三章電容式傳感器優(yōu)點：測量范圍大靈敏度高動態(tài)響應(yīng)時間短機械損失小結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強缺點：寄生電容影響大具有非線性輸出（變間隙式）2021/9/61權(quán)義萍§3-1電容式傳感器的工作原理§3-2電容式傳感器的測量電路§3-3電容式傳感器的誤差分析§3-4電容式傳感器的應(yīng)用2021/9/62權(quán)義萍由：§3-1電容式傳感器的工作原理－－兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，－－為真空介電常數(shù)，－－介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對于空氣介質(zhì)而言2021/9/63權(quán)義萍當(dāng)被測參數(shù)d、S、εr發(fā)生變化時，相應(yīng)的電容發(fā)生變化，如果保持其中兩個參數(shù)不變，

2、而僅改變其中一個參數(shù)時，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。故電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）型三種。2021/9/64權(quán)義萍一、變面積型原理圖如圖3-1所示。動極板移動時，兩極板間的相對有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化。線位移式(b)角位移式圖.3-1變面積型電容傳感器原理圖2021/9/65權(quán)義萍當(dāng)有效覆蓋S0S時，則：可見ΔS與ΔC的變化呈線性關(guān)系，故其靈敏度為常數(shù)：對圖(a)線位移式傳感器：則有：2021/9/66權(quán)義萍對圖(b)角位移式傳感

3、器，有：則其靈敏度為：可見，（1）傳感器的電容量與角位移?呈線性關(guān)系；（2）增大傳感器的初始面積或減小極板間距d有利于增大傳感器的靈敏度K。2021/9/67權(quán)義萍圖3-2為其結(jié)構(gòu)原理圖。圖中兩平行極板固定不動，極距為，相對介電常數(shù)εr2為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中。傳感器的總電容相當(dāng)于兩個電容C1和C2的并聯(lián)，即：二、變介質(zhì)價電常數(shù)型圖3-2變介質(zhì)型電容傳感器2021/9/68權(quán)義萍若電介質(zhì)εr1=1，則：當(dāng)被測介質(zhì)εr2進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為：故電容量的變化與被測電介質(zhì)的移動量L成線性關(guān)系

4、。2021/9/69權(quán)義萍圖3-3是變介質(zhì)電容傳感器用于測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液位高度為h，傳感器變換器高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時變換器電容為：圖3-3電容式液位變換器結(jié)構(gòu)圖2021/9/610權(quán)義萍ε為空氣介電常數(shù)；C0為由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即：由上式可知，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。2021/9/611權(quán)義萍三、變極距型圖3-4為此傳感器的原理圖。設(shè)初始電容量為：圖3-4變極距型電容傳感器原理圖若電容動極板因被測量變化而向上移動時，則極

5、板間距變?yōu)椋娙萘繛椋?021/9/612權(quán)義萍極板移動前后電容的變化量為：上式表明之間不是線性關(guān)系。C-d的關(guān)系為非線性，其特性曲線如圖3-5所示。圖3-5電容量與極距的特性曲線但當(dāng)時，可以認(rèn)為的關(guān)系為線性的：則其靈敏度K為：2021/9/613權(quán)義萍故變極距型電容傳感器只在很小時，才有近似線性輸出。其靈敏度與初始極距的平方成反比，故可通過減小初始極距來提高靈敏度。初始極間距的減小可提高靈敏度，但過小會引起電容擊穿或短路。故可在極板間采用高介電常數(shù)的材料，如云母、塑料膜等作為介質(zhì)。如圖所3-6所示。此時電容C變?yōu)?/p>

6、：圖3-6放置介質(zhì)的電容器結(jié)構(gòu)2021/9/614權(quán)義萍由前面公式知：當(dāng)時，上式按級數(shù)展開得：當(dāng)時，可略去高次項得近似的線性關(guān)系:如果考慮式中的線性項與二次項，則可得：2021/9/615權(quán)義萍則傳感器的相對非線性誤差為：則其靈敏度為：為提高K，應(yīng)減小d0，但其非線性誤差隨著d0的減小而增大，故可采用差動結(jié)構(gòu)：如圖3-7所示：以(a)圖為例，當(dāng)動片上移Δd，則：2021/9/616權(quán)義萍圖3-7差動電容傳感器原理圖（a）變d型（b）變S型則差動電容的輸出為：2021/9/617權(quán)義萍略去高次項得：其非線性誤差為：可

7、見，差動電容傳感器不僅使靈敏度提高一倍，而且非線性誤差減小一個數(shù)量級。2021/9/618權(quán)義萍§3-2電容式傳感器的測量電路若電容傳感器工作在高溫、高濕及高頻激勵條件下，則電容的附加損耗等影響不可忽視，其效電路如圖3-8所示。圖3-8電容傳感器的等效電路2021/9/619權(quán)義萍在實際應(yīng)用中，特別在高頻激勵時，尤需考慮的存在，則傳感器的有效電容為：－－傳感器電容－－低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗等影響；－－為高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；－－為電容

8、器及引線電感；－－為寄生電容。2021/9/620權(quán)義萍傳感器的有效靈敏度為：可見：每次改變激勵頻率或更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標(biāo)定2021/9/621權(quán)義萍二、測量電路（一）交流不平衡橋如圖3-8所示：Z1為電容傳感器阻抗，當(dāng)Z1Z4＝Z2Z3，則USC=0。當(dāng)被測參數(shù)變化時引起傳感器阻抗變化ΔZ，其輸出為：2021/9/622權(quán)義萍2021/