《電容式傳感器的工作原理及其在壓力測量中的應用》.doc

檢測與轉(zhuǎn)換技術大 作 業(yè) 題 目 院 系 班 級 學生姓名 日 期 電容式傳感器的工作原理及其在壓力測量中的應用摘要： 電容式傳感器以各種類型的電容器作為傳感器元件，通過傳感器元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，在經(jīng)過測量電路轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率。電容式傳感器廣泛的應用于位移、振動、角度、加速度等機械量的測量，還應用于壓力、差壓、液位、料位等熱加工量的測量。本文主要介紹電容式傳感器的工作原理及其在壓力測量中的應用。關鍵詞： 電容式傳感器 工作原理 壓力測量 應用發(fā)展Summary: In all types of capacitive sensors as the sensor capacitor element, the sensor element by changes in the measured physical quantity as a change in capacitance is converted, after measuring circuit into a voltage, current or frequency. Capacitive sensors are widely used in displacement, vibration, angle, acceleration and other mechanical measurement of the amount, also applies pressure, differential pressure, level, level and other thermal processing of the measurement. This paper describes the working principle of the capacitive sensor and its application in pressure measurement.Keywords: capacitive pressure sensor measurement applications development works1.引言電容式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種參量型傳感器。電容式傳感器廣泛應用于壓力、液位、位移等各種檢測中，由于形式多種多樣，傳感器電容值相差很大。電容式傳感器可分為變面積變化式、變間隙式、變介電常數(shù)式三類。變面積變化式一般用于測量角位移或較大的線位移。變間隙式一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。變介電常數(shù)式常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、動態(tài)響應較快、幾乎沒有零漂、結(jié)構簡單和適應性強等優(yōu)點。70年代末以來,隨著集成電路技術的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。電容式傳感器的基本工作原?以儲存電荷為目的制成的元件稱為電容器。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, 其電容量為 圖1：平行板電容器為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù), 0 =8.8310-12Fm,其中0為真空介電常數(shù), r為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù); A為兩平行板所覆蓋的面積; d為兩平行板之間的距離。當被測參數(shù)變化使得上式中的A，d或發(fā)生變化時, 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變, 而僅改變其中一個參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化, 通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可以分為三種類型：變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。2.1變間隙式電容式傳感器如圖2為變極距型電容式傳感器的各型原理圖。 圖2當傳感器的r和A為常數(shù), 初始極距為d0時, 由可知其初始電容量C為C 若電容器極板間距離由初始值d0縮小d, 電容量增大C, 則有 C1=C0+C 由該式可知, 傳感器的輸出特性C =f(d)不是線性關系, 而是雙曲線關系。電容式傳感器起始電容量一般設置在十幾皮法至幾十皮法，極板間隙設置在1001000m的范圍比較妥當，動極板移動位移應該小于兩極板間距1/101/4，電容可增加23倍。2.2變面積電容傳感器 如下圖是變面積型電容傳感器原理圖。 變面積線位移電容傳感器原理圖 變面積角位移電容傳感器原理圖 圖4 圖5移動動極板，改變兩極板之間的有效面積，電容量也隨之改變，電容C為：C0傳感器靈敏度為： 電容增量： 很明顯, 這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x是線性關系。如圖 5 是電容式角位移傳感器原理圖。當動極板有一個角位移時, 與定極板間的有效覆蓋面積就改變, 從而改變了兩極板間的電容量。當=0 時, 則 C0=0rA0d0 式中: r為介質(zhì)相對介電常數(shù); d0 為兩極板間距離; A0兩極板間初始覆蓋面積，當0時, 則 C1=0rA0 從上式可以看出, 傳感器的電容量C與角位移呈線性關系。 2.3變介質(zhì)型電容式傳感器 因為各種介質(zhì)相對介質(zhì)常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也不同，變介電常數(shù)式電容式傳感器就是依據(jù)此原理制作的。 如圖6是變變介電常數(shù)電容傳感器原理圖。 圖6 當在電容器兩個極板之間充以空氣以外的其他介質(zhì)時，介電常數(shù)相應變化，電容量發(fā)生改變，構成了變介電常數(shù)型電容傳感器。變介電常數(shù)電容傳感器的結(jié)構較多，其中有利用一些非導電固體的濕度變化，介質(zhì)自身介電常數(shù)變化的電容傳感器，可以用來測量糧食、紡織品、木材、煤炭等物質(zhì)的濕度。圖7 如圖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)構原理圖。設被測介質(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, 則此時變換器電容值為 C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值, 所以 C0 由上式可知, 此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構型式, 可以用來測量紙張, 絕緣薄膜等的厚度等，圖 8是一種常用的結(jié)構型式。 圖8 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。傳感器總電容量C為 式中: L0, b0為極板長度和寬度; L為第二種介質(zhì)進入極板間的長度。若電介質(zhì)r1=1, 當L=0時, 傳感器初始電容C0=0rL0b0/d0。 當介質(zhì)r2進入極間L后, 引起電容的相對變化為 可見, 電容的變化與電介質(zhì)r2的移動量L呈線性關系。變介電常數(shù)式電容式傳感器常用于測量液位高度，也可以測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，還可以用來測量糧食、紡織品、木材等的非導電固體介質(zhì)的濕度。2. 電容式傳感器優(yōu)缺點 電容式傳感器具有以下優(yōu)點：結(jié)構簡單，性能穩(wěn)定，可以在惡劣環(huán)境下工作；動態(tài)響應好，靈敏度高，分辨力強，沒有由于震動引起的漂移，但它同時也具有以下缺點：測試導線分布電容對測量誤差影響較大，電容量的變化與極板間距離變化為非線性。 電容式傳感器具有一系列的優(yōu)點，隨著電子技術的發(fā)展，測試導線分布電容對測量誤差的影響以及非線性的缺點也可得到克服，所以電容式傳感器在自動監(jiān)測中得到越來越廣泛的應用。4.電容式傳感器的應用電容傳感器可用來測量直線位移、角位移，振動振幅(可測至0.05m的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。當測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時被測物是電容器的一個電極，另一個電極則在傳感器內(nèi)。如圖9所示為電容差壓傳感器。 圖9參考文獻1 陳霞,吳春旺. 電容傳感器在使用中存在的幾個問題及處理方法M. 2005.2 張白莉. 電容式傳感器的應用和發(fā)展M.2005.3 馬西秦，許振中，賴申江. 自動檢測技術M. 2008:4