第三章电容式传感器本章主要内容：电容式传感器广泛应用于位移.DOC

第三章 电容式传感器 本章主要内容： 电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，且逐步应用于压力、压差、液面等方面的测量。本章着重介绍电容式传感器的结构原理及结构形式，讨论电容式传感器的测量电路、影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施。要求初步掌握电容式传感器的原理及应用 第一讲 电容式传感器的工作原理和结构 教学目的要求：掌握变间隙式、变面积式及变介电常数式三种电容传感器的工作原理，结构类型及工作原理基本应用； 教学重点：1.电容传感器的工作原理 2. 影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施 3. 电容传感器的输出特性 教学难点：电容传感器的输出特性 教学学时：2学时 教学内容： 电容传感器的工作原理及输出特性 工作原理： 由平板电容公式：可知： 当d，S和中的某一项或某几项有变化时，就改变了电容C。在交流工作时，改变C就相当于改变了容抗XC，从而使输出电压或电流发生变化。d和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等的变化；的变化，则可以反映液面的高度、材料的温度等的变化。 二、电容式传感器的结构形式 结构类型：改变极板距离d的变间隙式，改变极板面积S的变面积式，改变介电常数的变介电常数式。 三、 电容式传感器的特性 1．变间隙式电容传感器 当被测量的变化引起间距减小了△d时， 如△d d时， 则 或 说明： 1）. 电容C的相对变化△C/C0与输入位移△d之间的关系是非线性的，只有当△d d时，才可认为是近似线性关系。 2）. 电容式传感器的灵敏度为 增大S和减小d均可提高传感器的灵敏度。 2. 变面积式电容传感器 图3-4所示为一直线位移型电容式传感器的原理图 说明： 电容C的相对变化△C/C0与直线位移△x呈线性关系 测量的灵敏度为 减小两极板间的距离d，或增大极板的边长b可提高传感器的灵敏度，但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b则受到传感器体积的限制。需要说明的是，位移△x不能太大，极板的另一边长a不宜过小，否则会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。 齿形极板的电容式线性位移传感器可有效提高灵敏度 灵敏度为 其中为齿数 变面积传感器可测量角位移的变化 图3-5所示为一角位移型电容式传感器的原理图 则：可见， 电容C的相对变化△C/C0与角位移也呈线性关系。 3．变介电常数式电容传感器 当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化 如图： 而CA与CB与介质的种类和介质厚度和深度都有关系。 即： 4．差动电容传感器 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，常常做成差动形式。 5．电容传感器的性能改善 （1）静电击穿问题 应对办法：为防止击穿，通常在两极板间再附加 一层云母或塑料薄片 （2）边缘效应 应对办法：增设防护电极，如图3-8 （3）寄生电容。 产生原因； 电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。 应对办法： 对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地（驱动电缆技术） 驱动电缆技术： 这一技术的基本思路是将电极引出线进行内外双层屏蔽，使内层屏蔽与引出线的电位相同，从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电，而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。 （4）温度误差 应对办法：选择合适的电极材料或在测量电路中加以补偿 本讲小结 本讲主要讲述电容传感器原理、类型及输出特性，可以看出：变间隙式电容传感器一般适合测量微小位移和微小振动，而变面积式则可测量位移范围要大一些，而且线形度也好一些。 作业 1．电容式传感器在实际中主要存在哪些问题？分别采取什么措施加以解决？ 2．如图3-21所示正方形平板电容器，极板长度a=4cm，极板间距离d=0.2mm。若用此变面积式传感器测量位移x，试计算该传感器的灵敏度。已知极板间介质为空气。