第5章传感器原理

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1、第5章 电容式传感器 第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性5.3 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第5章 电容式传感器 优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度

2、、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。第5章 电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化+ A 第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 dSC（5-1） 式中: 电容极板间介质的介电常数，=0r，其中0为真空介电常数

3、，r极板间介质的相对介电常数； S两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。 第5章 电容式传感器 当被测参数变化使得式（5-1）中的S、 d或发生变化时， 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。因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。图5-1所示为常用电容器的结构形式。图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型， 图(a)和(e)为变极距型， 而图(i)(l)则为变介电常数型。 第5章 电容式传感器 图5-1 电容式传感元件的各种结构形式第

4、5章 电容式传感器 5.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 图 5-2为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，由式（5-1）可知其初始电容量C0为 000dSCr（5-2） 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有 200000000111 ddddCddCddSCCCr（5-3） 第5章 电容式传感器 图5-2 变极距型电容式传感器 Ard第5章 电容式传感器 图5-3 电容量与极板间距离的关系 CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d第5章 电容式传感器 在式（5-3）中，若d/d01时，1-(d/d0)21，则式 000d

5、dCCC（5-4） 此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。 另外，由式（5- 4）可以看出，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 如图 5-4 所示，此时电容C变为 第5章 电容式传感器 000ddSCgg（5-5） 式中：g云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云母片的厚度。 第5章 电容式传感器 gdgd00图5-4 放置云母片的电容器第5章 电容式传感器 云

6、母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，式（5-5）中的dg/0g项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间， 极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。 第5章 电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+第5章 电容式传感器 驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表

7、面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。 第5章 电容式传感器 5.1.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 图5-5是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为 dbxaCCCr)(00(5-6) 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为 axCC0(5-7) 很明显，这种

8、形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 第5章 电容式传感器 图5-5 变面积型电容传感器原理图 bxadxS第5章 电容式传感器 图5-6 电容式角位移传感器原理图 动 极 板定 极 板第5章 电容式传感器 图5-6是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当=0时，则 0000dSCr(5-8) 式中： r介质相对介电常数； d0两极板间距离； S0两极板间初始覆盖面积。 第5章 电容式传感器 当0时， 则 000001CCdSCr（5-9） 从式（5-9）可以看出，传感器的电容量C与角位移呈线性关系。 第5

9、章 电容式传感器 b)b)面积变化型面积变化型AC0角位移型角位移型+第5章 电容式传感器 AC0平面线位移型平面线位移型第5章 电容式传感器 柱面线位移型柱面线位移型. .AC0第5章 电容式传感器 产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。 压力变送器压力变送器第5章 电容式传感器 5.1.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器 图5-7是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为1，液面高度为h, 变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为

10、D，此时变换器电容值为 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111式中：空气介电常数； C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 dDnHC120(5-10) 第5章 电容式传感器 由式（5-10）可见，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度， 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图5-8是一种常用的结构形式。 图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C为

11、02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) 第5章 电容式传感器 02000) 1(LLCCCCCr式中：L0和b0极板的长度和宽度； L第二种介质进入极板间的长度。 若电介质r1=1, 当L=0时，传感器初始电容C0=0rL0b0/d0。 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 (5-12) 可见，电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。 第5章 电容式传感器 图5-7 电容式液位变换器结构原理图 DdHh1第5章 电容式传感器 图5-8 变介质型电容式传感器 L0Ld0r1r2第5章 电容式传感器 表表5-1 电介质材料的相对介电常数电介质材料的相对介电常数