課件26電容傳感器.ppt

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1、2.5電容式傳感器SHENYANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY電容式傳感器電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器,可用于位移、震動、壓力和液位等物理量的測量。結(jié)構(gòu)簡單、高分辨力、可非接觸測量,并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工作,這是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是寄生電容和外界干擾影響嚴(yán)重。電容式傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)和特性由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器,當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)影響時,其電容量與真空介電常數(shù)ε0(8.854×10-12F/m)、極板間介質(zhì)的相

2、對介電常數(shù)εr、極板的有效面積A以及兩極板間的距離δ有關(guān):C=ε0εrA/δ若被測量的變化使式中δ、A、εr三個參量中任意一個發(fā)生變化時,都會引起電容量的變化,再通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。變極距型電容傳感器下圖為這種傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的εr和A為常數(shù),初始極距為δ0,由式可知其初始電容量C0為變面積型電容傳感器它與變極距型不同的是,被測量通過動極板移動,引起兩極板有效覆蓋面積A改變,從而得到電容的變化。設(shè)動極板相對定極板沿長

3、度l0方向平移Δl時,則電容為為初始電容。電容的相對變化量為適合于測量較大的直線位移和角位移變介質(zhì)型電容傳感器這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式,可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度,也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度。圖4.8為原理結(jié)構(gòu)。圖(a)中兩平行極板固定不動,極距為δ0,相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中,從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器的總電容量C為兩個電容C1和C2的并聯(lián)結(jié)果。由式(4-1)(4-19)變介質(zhì)型電容傳感器(a)電介質(zhì)插入式;(

4、b)非導(dǎo)電流散材料物位的電容測量式中l0、b0——極板長度和寬度;l——第二種電介質(zhì)進(jìn)入極間的長度。若電介質(zhì)l為空氣(εr1=1),當(dāng)l=0時傳感器的初始電容;當(dāng)介質(zhì)2進(jìn)入極間l后引起電容的相對變化為可見,電容的變化與電介質(zhì)2的移動量l成線型關(guān)系。上述原理可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測量。如圖(b)所示,將電容器極板插入被監(jiān)測的介質(zhì)中,隨著灌裝量的增加,極板覆蓋面增大。由式(4-20)可知,測出的電容量即反映灌裝高度l。隨著電容式傳感器應(yīng)用問題的完善解決,它的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)十分明顯:(1)分辨力

5、極高,能測量低達(dá)10-7的電容值0.01μm的絕對變化量和高達(dá)(ΔC/C=100%~200%的相對變化量,因此尤適合微信息檢測;(2)動極質(zhì)量小,可無接觸測量;自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小,可獲得高的靜態(tài)精度和好的動態(tài)特性;(3)結(jié)構(gòu)簡單,不含有機(jī)材料或磁性材料,對環(huán)境(除高濕外)的適應(yīng)性較強(qiáng);(4)過載能力強(qiáng)。電容式傳感器及其應(yīng)用

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