2013-23-24电容式传感器1.pptVIP

 本学时主要讲解内容： 23-24 学时 第6章 传感器原理与测量电路 (6) 电容式传感器 机械工程测试技术 1. 工作原理 2. 结构形式及主要性能 ? 以电容器为敏感元件，将被测的非电量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。 一.电容传感器的工作原理 1.什么是电容传感器？ 2. 电容传感器外形举例： 电容式液位变送器 电容式接近开关 电容物位开关 三轴加速度电容传感器 HM1500湿度传感器 电容压差变送器 电容绝对压力变送器 驻极体电容传声器 大膜片电容传声器 传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风 电容指纹识别机 3. 工作原理: 设由二块平行板组成一个电容器,若忽略其边缘效应,其电容量为： + - ε ——极板间介质的介电常数； ε= ε0 εr , ε0 ——真空的介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m； εr ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质， εr ≈1; d –极板间距; A-极板所覆盖的面积 由(1)式可知,当A, d,ε中任一参数发生变化时,电容量C就会发生变化. 实际应用中,常使三个参数中二个保持不变,而改变其中一个参数来使电容发生变化. 所以电容传感器可分为三种类型. 变间隙型 变面积型 变介质型 C=?(d) C=?(A) C=?(ε) 二.电容传感器及其主要性能 1.变极距型电容传感器 1)设a为动极板,b为定极板,极板初始间距为d0 ,假设动极板没有变化时.初始电容量为： (1) 当被测量变化引起极板A下移,则初始间距缩小△d,电容量增大△c,则有： + - a b 电容的相对变化量为: 从（4）式可看出由于有忽略项，变极距型电容传感器存在着非线性误差。 1）由于有忽略项，变极距型电容传感器存在着非线性误差。其表达式为： 结论： 2）若要减小非线性误差，变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δdd0 的条件。且一般Δd 只能在极小的范围内变化。 传感器的静态灵敏度为: 若 则传感器的静态灵敏度可简化为 结论：1）静态灵敏度和初始间距d0有关,要提高灵 敏度,要减小d0，和非线性误差相矛盾，要 综合考虑。 2）静态灵敏度不是常数,(因为存在着忽略项) 所以随被测量变化而变化, 为了改善非线性误差,一般采用差动形式,使输出为二电容量之差,例如下图所示: 动极板 定极板 定极板 C1 d1 C2 d2 差动式变间隙型电容传感器 动极板上移时： 初始位置时， (4) 电容量的变化为 ： 则电容量的相对变化为 ： 同理可推到出非线性误差为： 结论：比不是差动结构减小。 静态灵敏度： 结论：比不是差动结构提高一倍。 2.变面积型电容传感器 (1)角位移变面积型) 由被测量的变化导致动极板移动,引起二极板间有效覆盖面积A的变化,从而导致电容量的变化. θ 定片 动片 （a）角位移式 当动极板有一个角位移θ时，与定极板间有效覆盖面积A发生变化. 若 式中εr为介质相对介电常数， A0为二极板间初始覆盖面积， ｄ为二极板间的距离。 当 电容量的变化量为: 电容量的相对变化量为: 结论1：电容的变化量和角位移呈线性关系.没有非线性误差。 灵敏度为: 结论2：灵敏度为常数。 （b）直线位移式 b a d x (2)板状线位移变面积型 当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积A ，电容量C同样随之变化。 结论1：电容的变化量与极板位移呈线性关系 灵敏度为： 电容的相对变化量为： 结论2：灵敏度是常数 当极板有一个水平位移Δx时： 电容的变化量为： 图: 液位传感器的等效电路 C2 C1 C (1)圆筒式液位传感器（变极板间介质的介电常数） D d H h (c) 液位传感器 ε ε1 假设空气的介电常数ε,被测液体的介电常数ε1,液面的高度为h,传感器的高度为H,内筒外径d,外筒的内径为D。初始电容量为C0,C0为由传感器基本尺寸所决定的初始电容值, 3. 变介电常数型电容传感器