傳感器第5章課件

1、第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性5.3 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 第5章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓囊环N傳感器。一、基本原理一、基本原理 由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 dSC（5-1） 式中:

2、 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常 數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； S兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離。 第5章 電容式傳感器 當(dāng)被測量使得式（5-1）中的S、 d或三個參數(shù)中的一個參數(shù)發(fā)生變化時， 電容量C也隨之變化。通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 變極距型因此電容式傳感器可分為： 變面積型 變介電常數(shù)型二、常用電容器的結(jié)構(gòu)形式：二、常用電容器的結(jié)構(gòu)形式： 圖5-1所示為常用電容器的結(jié)構(gòu)形式： 圖(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)、(h)為變面積型。 圖(a)和(e)為變極距型 圖(i)(l)則為變介電常數(shù)型。 第5章 電容式傳感器 圖5-1

3、電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式第5章 電容式傳感器 5.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 圖 5-2為變極距型電容式傳感器的原理圖。ArdCC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d圖5-2 變極距型電容式傳感器 圖5-3 電容量與極板間距離的關(guān)系 第5章 電容式傳感器 000dSCr（5-2）200000000111 ddddCddCddSCCCr 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有 當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù)，初始極距為d0時，則其初始電容量C0為： （5-3） 由上式可見：變極距型電容式傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系。其關(guān)系曲線如圖5-3所示。第5章 電容式傳

4、感器 在式（5-3）中，若d/d01時，1-(d/d0)21，則式 000ddCCC（5-4） 此時C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時，才有近似的線性關(guān)系。 另外，由式（5- 4）可以看出，在d0較小時，對于同樣的d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì), 如圖 5-4 所示，此時電容C變?yōu)?第5章 電容式傳感器 000ddSCgg（5-5） 式中：g云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 gdgd0

5、0圖5-4 放置云母片的電容器第5章 電容式傳感器 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣僅為3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時，式（5-5）中的dg/0g項(xiàng)是恒定值， 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之間， 極板間距離在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移測量中應(yīng)用最廣。 第5章 電容式傳感器 5.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 圖5-5是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。 被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面

6、積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移x時，則電容變化量為 dbxaCCCr)(00(5-6) 式中: C0=0r ba/d為初始電容。電容相對變化量為axCC0(5-7) 很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 圖5-5 變面積型電容傳感器原理圖 bxadxS動極板定極板圖5-6 電容式角位移傳感器原理圖 第5章 電容式傳感器 圖5-6是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動極板有一個角位移時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)=0時，則 0000dSCr(5-8) 式中： r介質(zhì)相對介電常數(shù)； d

7、0兩極板間距離； S0兩極板間初始覆蓋面積。 第5章 電容式傳感器 當(dāng)0時， 則 000001CCdSCr（5-9） 從式（5-9）可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 圖5-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 DdHh15.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器 圖5-7是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。第5章 電容式傳感器 設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時變換器電容值為 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111式中：空

8、氣介電常數(shù)； C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值, 即 dDHCln20(5-10) 由式（5-10）可見，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。第5章 電容式傳感器 變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，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)電固體介質(zhì)的濕度。圖5-8是一種常用的結(jié)構(gòu)形式。 圖中兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù)為r2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。L0Ld0r1r2圖5-8 變介質(zhì)型電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) 傳感器總電容量C為

9、:式中：L0和b0極板的長度和寬度； L第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度。 若電介質(zhì)r1=1, 當(dāng)L=0時，傳感器初始電容C0=0rL0b0/d0。 當(dāng)被測介質(zhì)r2進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對變化量為: 02000)1(LLCCCCCr(5-12) 可見，電容量的變化與電介質(zhì)r2的移動量L成線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 表表5-1 電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù) 第5章 電容式傳感器 5.2 變極距型平板電容式傳感器的靈敏度及非線性變極距型平板電容式傳感器的靈敏度及非線性由式（5-4）可知， 電容的相對變化量為 0011ddCC(5-13) 當(dāng)|d/d0|1時，上式可按級數(shù)

10、展開，可得 30200001ddddddddCC(5-14) 一、電容式傳感器的靈敏度一、電容式傳感器的靈敏度第5章 電容式傳感器 由式（5-14）可見，輸出電容的相對變化量C/C0與輸入位移d之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|d/d0|1時可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系為：00ddCC(5-15) 電容傳感器的靈敏度為 001/ddCCK(5-16) 變極距型平板電容傳感器的靈敏度與d0呈反比關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 如果考慮式（5-14）中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)， 則 0001ddddCC(5-17) 由此可得出傳感器的相對非線性誤差為 %100%100|/|)/(0020dddddd(5-18) 由

11、式（5-16）與式（5-18）可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 第5章 電容式傳感器 在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。圖5-9是變極距型差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 在差動式平板電容器中，當(dāng)動極板位移d時，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d, 則 002001/11/11ddCCddCC(5-19) (5-20) 00d1d2C1C2S圖5-9 差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 第5章 電容式傳感器 在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有 10UddUo（5

12、-43） 第5章 電容式傳感器 同樣， 在變面積電容傳感器中， 則有 1USSUo（5-44） 由此可見，差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。 第5章 電容式傳感器 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 圖5-17 差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 外 殼p1p2金 屬 鍍 層凹 形 玻 璃膜 片過 濾 器第5章 電容式傳感器 圖5-17為差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，

13、構(gòu)成差動電容器。 當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時， 所形成的兩個電容器的電容量，一個增大， 一個減小。 該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。 第5章 電容式傳感器 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖5-18 差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固 定 電 極 ；2絕 緣 墊 ；3質(zhì) 量 塊 ；4彈 簧 ；5輸 出 端 ；6殼 體第5章 電容式傳感器 當(dāng)傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動時， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容

14、的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快和量程范圍大， 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 第5章 電容式傳感器 5.5.3 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等， 與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個極， 而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化， 將引起電容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來， 經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。 差動式電容測厚傳感器的測量原理框圖如圖5-19所