第三章電容式傳感器

1、第三章電容式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 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)一、基本工作原理一、基本工作原理 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，其電容量為 ：dAC式中: 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(duì)介電常數(shù)； A兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離。 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的A、 d或發(fā)生變化時(shí)， 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)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(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變極距型、 變面變面積型和變介電常數(shù)積型

2、和變介電常數(shù)型三種。1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 和A為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，可知其初始電容量C0為 00dAC 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 20000000111ddddCddCddACCCCC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d電容量與極板間距離之間的關(guān)系 若d/d01時(shí)，1-(d/d0)21，則：000ddCCC 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器往往設(shè)計(jì)成在d極小范圍內(nèi)變化。 由C0式可以看出，在d0較小時(shí)，對(duì)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(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板

3、間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì), 此時(shí)電容C變?yōu)?gdgd00000ddACggg云母的相對(duì)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。 云母片的相對(duì)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(shí)，上式中的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(cè)量中應(yīng)用最廣。 2 2、變面積型電容傳感

4、器、變面積型電容傳感器（1 1）直線位移型）直線位移型被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)，則電容為 axCdbxaC1)(0axCC0電容量電容量C與水平位移與水平位移x呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 (2) (2) 角位移型角位移型動(dòng) 極 板定 極 板當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，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(shí)，則 00dAC當(dāng)0時(shí)， 則 0001CCdAC電容量C與角位移呈線性關(guān)系。 3 3、變介質(zhì)型電容式傳感器、變介質(zhì)型電容式傳感器(1) (1) 常用變介質(zhì)型常用變介質(zhì)型BACCC1

5、1221ddbaCA1211ddalbCB2110ddblC212121001ddlaCCC(2) (2) 并聯(lián)柱面結(jié)構(gòu)并聯(lián)柱面結(jié)構(gòu)用于測(cè)量液位高低。設(shè)被用于測(cè)量液位高低。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1 1，液面高度為液面高度為h h, , 變換器總高變換器總高度為度為H H，內(nèi)筒外徑為，內(nèi)筒外徑為d d，外，外筒內(nèi)徑為筒內(nèi)徑為D D。dDnHC120dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011電容增量正比于被測(cè)液位高度h。(3) (3) 并聯(lián)平面板結(jié)構(gòu)并聯(lián)平面板結(jié)構(gòu)axCaxdabdbxadxbCCC22102212212111二、差動(dòng)式

6、電容傳感器二、差動(dòng)式電容傳感器1 1、變面積型差動(dòng)電容傳感器、變面積型差動(dòng)電容傳感器（1 1）平面板結(jié)構(gòu)直線位移型）平面板結(jié)構(gòu)直線位移型位移位移x x4 a定極板定極板動(dòng)極板動(dòng)極板2C1C定片長(zhǎng)定片長(zhǎng)4a4a，寬，寬b b動(dòng)片長(zhǎng)動(dòng)片長(zhǎng)2a2a，寬，寬b b動(dòng)態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)：dabCCCx0210，靜態(tài)時(shí)：靜態(tài)時(shí)： axCxadbxCaxCxadbxC110201（2 2）圓柱面結(jié)構(gòu)直線位移型）圓柱面結(jié)構(gòu)直線位移型lr2R2x位移 xC1 xC2rRlCCCxln20021，靜態(tài)時(shí)：靜態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)： lxCxlrRxClxCxlrRxC1ln21ln20201（3 3）平面扇形變面積角位移

7、結(jié)構(gòu)）平面扇形變面積角位移結(jié)構(gòu) 0002220002211212CrRdCCrRdC0220212rRdCCC靜態(tài)時(shí)：靜態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)：2 2、變極距型差動(dòng)電容傳感器、變極距型差動(dòng)電容傳感器定定片片動(dòng)片動(dòng)片0d0d1C2Cd位移動(dòng)態(tài)時(shí)：動(dòng)態(tài)時(shí)：00210dACCCd，靜態(tài)時(shí)：靜態(tài)時(shí)：dddCddCddAdCdddCddCddAdC000002000001111111兩極板對(duì)應(yīng)的面積為兩極板對(duì)應(yīng)的面積為A A。三、電容傳感器輸出特性三、電容傳感器輸出特性 在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí)，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 002001/11/1

8、1ddCCddCC在d/d01時(shí), 按級(jí)數(shù)展開得 3020002302000111ddddddCCddddddCC電容值總的變化量為 503000212ddddddCCCC電容值相對(duì)變化量為 40200012ddddddCC略去高次項(xiàng)，則C/C0與d/d0近似成為如下的線性關(guān)系： 002ddCC 如果只考慮C/C0式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差r近似為 %100%100|/|2|)/( |220030 ddddddr非差動(dòng)型平行板電容傳感器可知， 電容的相對(duì)變化量為 0011ddCC當(dāng)|d/d0|1時(shí)，上式可按級(jí)數(shù)展開，可得 113020000ddddddddCC 由上

9、式可見，輸出電容的相對(duì)變化量C/C0與輸入位移d之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|d/d0| Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有 10UddUo12121UddddUo同樣， 在變面積電容傳感器中， 則有 1USSUo 由此可見，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過(guò)低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒(méi)有影響。 12121UAAAAUo式中, A1、A2分別為Cx1、Cx2極板間面積。當(dāng)差動(dòng)電容Cx1Cx2 有 tuAuAuBuABU1-U1000U1U1T1T2ttttt(a)0U1uB0U1UCUr0tUDUr0

10、tuAB-U1U10tU0Ur0T2t(b)UDUrT10UC第四節(jié)第四節(jié) 電容傳感器的應(yīng)用舉例電容傳感器的應(yīng)用舉例1、電容式壓力傳感器、電容式壓力傳感器 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過(guò)濾器 圖為差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。 當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)， 所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大， 一個(gè)減小。 該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。 2、電容式加速度傳感器、電容式加速度傳感器 差動(dòng)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 當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)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)。 3、差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器、差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 電容測(cè)厚傳感器是用來(lái)對(duì)金屬帶材在軋制過(guò)