5.1.1电容式传感器测量原理（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

● 项目——液位检测 ● 任务——汽车油箱油量检测 1 ► 任务导入 汽车油箱油量检测——电容式传感器测量液位 电容式传感器 ► 电容式传感器 ● 定义：电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的一种传感器。 电容式传感器测量液位 高阻抗，小功率 动态范围大 响应速度快 几乎没有零漂 结构简单、适应性强 可在恶劣的环境下使用 广泛应用于位移、振动、角度、加速度、压力、压差、液面、成分含量等方面的测量 3 ► 电容式传感器 ● 定义：电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的一种传感器。 电容式传感器的测量原理 一、电容式传感器的工作原理 电容传感器是一种把被测的机械量（如位移、压力等）转换成电容量变化的传感器，它的敏感部分是具有可变参数的电容器，其最常用的形式是由两个平行电极组成，以空气为介质的电容器。 d A ε 4 ► 电容式传感器 ● 定义：电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的一种传感器。 电容式传感器的测量原理 一、电容式传感器的工作原理 电容量的变化确定被测量的大小 √ 改变极距D和面积A可以反映位移或角度变化，从而可以用于间接测量压力、弹力等的变化。 √ 改变则可以反映厚度、温度的变化。 5 ► 电容式传感器 ● 定义：电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的一种传感器。 电容式传感器的测量原理 二、电容式传感器的分类 变面积型电容传感器 变极距型电容传感器 变介质型电容传感器 6 ► 电容式传感器的分类——变面积型电容传感器 电容式传感器的测量原理 图 直线位移式电容传感器 定极板 动极板 直线位移式 角位移式 固定不动 可移动 ► 电容式传感器的分类——变面积型电容传感器 电容式传感器的测量原理 a b d √ 电容因位移而产生的变化量 √ 灵敏度k 1. 直线位移式电容传感器 ► 电容式传感器的分类——变面积型电容传感器 电容式传感器的测量原理 √ 电容因位移而产生的变化量 √ 灵敏度k √ 传感器电容量变化量与位移的变化量 之间呈线性关系。 √ 变面积式电容传感器的灵敏度是常数，即输入与输出成线性关系，因此对于一个特定的平板形变面积式电容传感器，其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数。 √ 增加b或者减小b均可提高传感器的灵敏度，但是d的减小受到电容击穿电压的限制，而增加b受到体积的限制。 1. 直线位移式电容传感器 ► 电容式传感器的分类——变面积型电容传感器 电容式传感器的测量原理 假设传感器两极板全重合（ ）时的电容量为C0。 当动极板有一角位移时，改变了两极板间有效覆盖面积，使电容量发生变化，此时电容值为： 其灵敏度k 2. 角位移式电容传感器 ► 电容式传感器的分类——变面积型电容传感器 电容式传感器的测量原理 √ 传感器电容量变化量与角位移角度 之间呈线性关系 √ 对于一个特定的角位移变面积式电容传感器 其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数 2. 角位移式电容传感器 ► 电容式传感器的分类——变面积型电容传感器 电容式传感器的测量原理 外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动，电容量发生变化，此时电容值为： 其灵敏度k 3. 圆柱形电容传感器 ► 电容式传感器的分类——变面积型电容传感器 电容式传感器的测量原理 外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动，电容量发生变化，此时电容值为： 其灵敏度k √ 传感器电容量变化量与位移变化量 之间呈线性关系 √ 对于一个特定的圆柱形变面积式电容传感器 其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数 3. 圆柱形电容传感器 ► 变面积式电容传感器使用注意事项 电容式传感器的测量原理 01 02 03 √ 增大初始电容可以提高传感器的灵敏度。 √ 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大。 √ △X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。 ► 电容式传感器的分类——变极距型电容传感器 √ 如果两极板的有效作用面积A 及极板间的介质ε 保持不变，则动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d 发生变化，引起电容量的变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。这就是变极距型电容传感器的工作原理。 ► 电容式传感器的分类——变极距型电容传感器 当传感器的 和A为常数时，初始极距为d时，其初始电容量 为 若电容器两极板间的距离由初始值d缩小x，电容量增大 ，则有 由此可知： 变极距型电容传感器电容量C与x不是线性关系，而是双曲线关系。 电容式传感器的测量原理 16 ► 电容式传感器的分类——变极距型电容传感器 当动极板移动后，C1和 C2成差动变化，即其中一个电容量增大，而两一个电容量减小。若动极板向上移动x，则两