2.5电容式传感器（课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

2.5 电容式传感器 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 优点：● 结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作； ● 可非接触测量； ● 灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量； ● 极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度； 缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。 变间隙式电容传感器 初始电容 当d<<d0时，可简化为 这时C 与d 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成d 在极小的范围内变化。此外由曲线图可以看出，d0 越小，灵敏度越高。 若电容器极板距离由初始值 d0 变化了d ，d1 = d0±d ，其电容量 但 d0 减小会导致非线性误差增大，且 d0 过小时，容易引起电容器击穿。改善耐压性能的办法是在极板间放置高介电常数的材料（云母片、塑料膜等）。此时电容 C 变为 式中 g = 7——云母的相对介电常数； 0 ——真空介电常数； dg ——云母片的厚度； d0 ——空气气隙厚度。 云母的相对介电常数为空气的7倍，其击穿电压不小于103 kV/mm，而空气的击穿电压仅为3kV/mm，即使厚度为0.01mm 的云母片，它的击穿电压也不小于10kV/mm。因此有了云母片，极板之间的起始距离可以大大减小。同时分母中的dg/g 项是恒定值，它能使电容式传感器的输出特性的线性度得到改善，只要云母片厚度选取得当，就能获得较好的线性关系。 一般电容式传感器的起始电容在20~30pF 之间，极板距离在25~200 m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。此类电容传感器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测0.01m 的线位移。 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式。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，而另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。差动式可使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。 变面积式电容传感器 包括角位移和线位移（平面线位移、圆筒线位移） 变面积式电容传感器输入输出成线性关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。 1. 角位移 当动极板有一个角位移θ时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ＝0 时，则 当θ≠0时，则 这种形式的传感器电容量C与角位移θ是成线性关系的。 灵敏度： 2. 平面线位移 极板起始覆盖面积为S＝a×b， 沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边缘效应，改变后的电容量为 初始电容： C与x成线性关系 增加极板长度b、减小极板间距d都可以提高灵敏度K ； 减小极板宽度a可提高相对灵敏度KC ，而极板起始覆盖长度b与相对灵敏度KC 无关。但a不能太小，必须保证a》d ，否则边缘不均匀电场影响将增大。 相对灵敏度 灵敏度 灵敏度、相对灵敏度均为常数。 平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距 d 变化，影响测量精度。因此在一般情况下，变面积式电容传感器常做成圆筒形的。 右图为齿形极板，也是变面积式电容传感器。可增加遮盖面积，提高分辨率和灵敏度。 当极板的齿数为n时， 灵敏度为 为单极板的n倍。 移动x后 3. 圆筒线位移 在初始的位置（即 a ＝ 0 ）时，动、定极板相互覆盖，此时电容量为 当动极板发生位移 x 后，其电容量为 即 C 与 x 基本上成线性关系。采用圆筒形电容器的原因，主要是考虑到动极板稍作径向移动时，不影响电容器的输出特性。 圆筒形电容器不能用作改变极距的传感器。 采用差动结构，可使灵敏度提高一倍。 变介电常数式电容传感器 （a）图为测电介质厚度x；（b）图为测位移量x；（c）图为测液面位置和液量；（d）图为根据介质的介电常数随温度、湿度、容量改变来测温度、湿度、容量等。 以（b）为例，其电容量为 式中 b ——极板宽度。 设在电极中无2 介质时的电容量为 C0 ，即 表明电容量 C 与位移 a 成线性关系。