课题3 电容式传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

2024-01-04

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课题3 电容式传感器及其应用任务1 电容式传感器基本知识任务2 电容式传感器的应用任务3 电容式传感器知识扩展—电容器指纹识别任务4 电容式传感器项目实训—由集成电路制作的电容感应式控制电路返回任务1 电容式传感器基本知识 3.1.1电容式传感器工作原理及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，其电容量为式中， ε为电容极板间介质的介电常数，ε=ε0·εr，其中ε0为真空介电常数， ε0 = 8. 854x10-12F/m; εr为极板间介质相对介电常数;A为两平行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。下一页返回任务1 电容式传感器基本知识当被测参数变化使得式(3 -1)中的A、d或ε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，电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介电常数式三种类型。 1.变极距式电容传感器如果两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量C随极距d按非线性关系变化，如图3-2(b)所示。上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识设极板2未动时传感器初始电容为。当动极板2移动x值后，其电容值Cx为式中，d0为两极板距离初始值。由式(3 -2)可知，电容量Cx与x不是线性关系，其灵敏度也不是常数。当x《d0时上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识此时Cx与x近似呈线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器的灵敏度为由式(3 -4)可见，极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。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。这种传感器由于存在原理上的非线性，灵敏度随极距变化而变化，当极距变动量较大时，非线性误差要明显增大。为限制非线性误差，通常是在较小的极距变化范围内工作，以使输入输出特性保持近似的线性关系。一般取极距变化范围△x/d0≤0. 1。上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识实际应用的极距变化型传感器常做成差动式(如图3 -3所示)。上下两个极板为固定极板，中间极板为活动极板，当被测量使活动极板移动一个△ x时，由活动极板与两个固定极板所形成的两个平板电容的极距一个减小、一个增大，因此它们的电容量也都发生变化。若△x《d0，则两个平板电容器的变换量大小相等、符号相反。利用后面的转换电路(如电桥等)可以检出两电容的差值，该差值是单个电容传感器电容变化量的两倍。采用差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，某些因素(如环境温度变化、电源电压波动等)对测量精度的影响也得到了一定的补偿。上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高(可达nm级)，适应于较小位移(1 nm~1 μm)的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容(如电缆电容、分布电容等)的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂。 2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器工作时极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识图3 -4所示为几种面积变化型电容传感器的原理示意图。在理想情况下，它们的灵敏度为常数，不存在非线性误差，即输入输出为理想的线性关系。实际上由于电场的边缘效应等因素的影响，仍存在一定的非线性误差。图3 -4(a)所示为平面形位移电容传感器。设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识电容的相对变化量和灵敏度为图3 -4(b)为圆柱线位移电容传感器。其灵敏度K也为一常数。图3 -4(c)为角位移形式的电容传感器。当动片有一角位移θ时，两极板的相对面积A也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化。上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识当θ=0时，当θ≠0时，由(3-8)式可知，电容Cθ与角位移θ呈线性关系。其灵敏度为上一页下一页返回任务1 电容式传感器基本知识由以上分析可知，变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一常数。在实际应用中，为了提高测量精度，减少动极板与定极板

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