第6章 电容式传感器（课件）- 《传感器与检测技术(第二版)》同步教学（重庆大学版）

1.掌握传感器工作原理及特性　　　 2.掌握测量电路 3.了解传感器的应用 第六章 电容式传感器 传感器与检测技术 返回课程索引 6.1 工作原理及特性 工作原理:将被测量转化为电容量变化。 忽略边缘效应,两平行极板组成的电容器，其电容量为: d、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。 第六章 电容式传感器 ε0:真空中的介电常数 εr：介质的相对介电常数 1、变极距型电容传感器式 6.1 电容式传感器工作原理 保持两极板遮盖面积A和极板间介质不变，而使极距d随被测量改变。 当动极板靠近定极板移动Δd后，其电容量为： 由此可见，电容量C与Δd不是线性关系。 6.1 电容式传感器工作原理 C与d的关系可用如图曲线描述： 可以写成： 6.1 电容式传感器工作原理 当极距变化很小时，可利用泰勒展开式进行线性化 经线性化后灵敏度 电容变化量 6.1 电容式传感器工作原理 灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受电容极板间击穿电压的限制。 一般d0＝0.1～1mm左右。 电容量C与极距d呈非线性关系，为了减小非线性误差，通常极距变化范围d/d00.01～0.1。 提高变极距型电容式传感器的灵敏度与减小非线性误差是相矛盾的 此类电容传感器仅适于微小位移的测量（0.01m～数百微米）；非接触测量 工作特性： 减小极距d可使电容量加大，使灵敏度提高，但d过小容易引起电容击穿。在极板间放置一层固体介质来改善电容式传感器的特性，如图所示。 具有部分固体介质的变极距型电容式传感器的电容C可等效为两电容串联，可写成 6.1 电容式传感器工作原理 当动极板向下移动使空气隙的厚度d1减小△d时，电容式传感器的电容C将增大△C，可导出电容式传感器的电容相对变化为 式中 可写成级数形式 6.1 电容式传感器工作原理 N1的大小对传感器的灵敏度和传感器的非线性有影响，因此既是灵敏度因子，又是非线性因子。 N1的大小取决于固体介质与空气隙的厚度比d2／d1和固体介质的相对介电常数εr2。 6.1 电容式传感器工作原理 固体介质与空气隙的厚度比d2／d1越大，N1越大，灵敏度越高，同时非线性也越大。 在相同的d2／d1值下，固体介质的相对介电常数εr2越大，N1越大。 6.1 电容式传感器工作原理 变极距变化型电容传感器常见结构： 被测物体： 为提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常采用差动型电容式传感器。 6.1 电容式传感器工作原理 6.1 电容式传感器工作原理 当动极板移动距离Δd后，一边的极距变为d1＝d0－Δd， 另一边的极距则变为d2＝d0＋Δd。 写成级数形式，有 6.1 电容式传感器工作原理 将这两个差动电容接入相应的测量电路，测量电路的输出与两个差动电容的总变化量ΔC＝C1-C2 成正比。 灵敏度： 6.1 电容式传感器工作原理 差动变极距型电容式传感器的灵敏度 差动变极距型电容式传感器的非线性误差 差动变极距型电容式传感器与单端结构相比，非线性误差可减小一个数量级，同时，灵敏度可提高约一倍。 极距d和极板间介质不变，两极板遮盖面积A随被测量改变。常用的有角位移型和线位移型两种。 6.1 电容式传感器工作原理 2、变面积型电容传感器式 极板面积A＝ab 灵敏度分别为： 6.1 电容式传感器工作原理 变面积型电容式传感器具有线性特性，灵敏度为常数； 传感器的灵敏度与起始电容量C0有关，增大起始电容量C0可提高传感器的灵敏度。 差动结构的变面积型电容式传感器，其灵敏度比单端结构的灵敏度提高一倍。 平板型传感器的可动极板稍有极距方向移动会影响测量精度，变面积型电容式传感器常做成圆柱形。 6.1 电容式传感器工作原理 1、定极板 2、动极板 当覆盖长度x变化时，电容量变化，其灵敏度为 圆筒形电容器的电容为: 面积变化型的优点：输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。 6.1 电容式传感器工作原理 3、介电常数变化型 6.1 电容式传感器工作原理 1）变介质截面积型 图中，厚度为d2 的介质（r 为其介电常数）在电容器中左右运动，整个电容器相当于CA和CB两个电容并联。 初始电容值为： 极板面积A＝bl 存在介质时，C=CA+CB （并联） 其中：d1= d - d2 从而： 灵敏度 6.1 电容式传感器工作原理 6.1 电容式传感器工作原理 2）变介电常数型电容式传感器 如图所示，在两极板间有一层介质，设两极板的极距为a，极板面积为S，介质层的厚度为d，介质的相对介电常数为εr。 可求得起始的电容量为 6.1 电容式传感器工作原理 当介质的相