《电容式传感器工作原理及在压力测量中应用》.docVIP

自动检测技术及应用 姓 名 王世夫 学 号 201105620107 年 级 2011级 专 业 电气1班 系（院） 汽车学院 指导教师 　 张伟　 年 月 日 电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用 摘要： 电容式传感器以各种类型的电容器作为传感器元件，通过传感器元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，在经过测量电路转化为电压、电流或频率。电容式传感器广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，还应用于压力、差压、液位、料位等热加工量的测量。本文主要介绍电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用。 关键词： 电容式传感器 工作原理 压力测量 应用发展 1.引言 电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为面积变化、三类。面积变化一般用于测量角位移或较大的线位移。一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为 平行板电容器 ε为电容极板间介质的介电常数, ε0 =8.83×10-12F／m,其中ε0为真空介电常数, εr为极板间介质相对介电常数; A为两平行板所覆盖的面积; d为两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得上式中的A，d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可以分为三种类型：变间隙式、变面积式和变介电常数式。 2.1变间隙式电容式传感器 如图2为变极距型电容式传感器的各型原理图。 图2 当传感器的εr和A为常数, 初始极距为d0时, 由 可知其初始电容量C0为 若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有 C1=C0+ΔC= 由该式可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是双曲线关系。电容式传感器起始电容量一般设置在十几皮法至几十皮法，极板间隙设置在100~1000чm的范围比较妥当，动极板移动位移应该小于两极板间距1/10~1/4，电容可增加2~3倍。 2.2变面积电容传感器 如下图是变面积型电容传感器原理图。 变面积线位移电容传感器原理图 变面积角位移电容传感器原理图 图4 图5 移动动极板，改变两极板之间的有效面积，电容量也随之改变，电容C为： 传感器灵敏度为： 电容增量： 很明显, 这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx是线性关系。如图 5 是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变, 从而改变了两极板间的电容量。当θ=0 时, 则 C0=ε0εrA0d0  式中: εr为介质相对介电常数; d0 为两极板间距离; A0两极板间初始覆盖面积，当θ≠0时, 则 C1=ε0εrA0 从上式可以看出, 传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。 2.3变介质型电容式传感器 因为各种介质相对介质常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也不同，变介电常数式电容式传感器就是依据此原理制作的。 如图6是变变介电常数电容传感器原理图。 图6 当在电容器两个极板之间充以空气以外的其他介质时，介电常数相应变化，电容量发生