电容式检测元件.doc
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2.4 电容式检测元件
§2.4.1电容式传感器的工作原理及类型
目的、教学要求：了解电容式测量的基本概念，掌握电容式传感器的类型。
主要内容：电容式测量的基本概念；电容的计算公式；电容式传感器的类型：三种类型的电容式传感器：即变面积式、变间隙式和变介电常数式。
教学设计：
提问学生：电容的计算公式是什么？从公式可以看出电容的大小由哪些量决定？
平板
圆筒形
引入电容式测量的概念和电容式传感器的分类（采用提问方式）
变极距型、变面积型和变介质型三种类型
§2.4.2电容元件的结构和特性
目的、教学要求：
掌握三种类型的电容式传感器的结构、工作机理、参数计算公式和应用范围。
了解电容式传感器等效电路的组成，能够分析等效电路中各电阻、电容的含义及其对电容的影响。
重点、难点：
三种类型电容式传感器的工作原理及参数的计算。
等效电路的组成及等效电容的计算。
主要内容：
三种类型的电容式传感器：即变面积式、变间隙式和变介电常数式。
三种类型的电容计算公式、电容的相对变化、灵敏度等。
等效电路的组成；各参数的含义；等效电容的计算。
教学设计：
变间隙式电容传感器
首先介绍最简单的变间隙式电容传感器，推导电容的相对变化、灵敏度计算公式、相对非线性误差。
然后，将灵敏度和相对非线性误差作对比，引导学生分析得出非线性会随位移的增大而增大，而灵敏度却减小；或者极间距越小，利于提高灵敏度，但是非线性误差增加。——矛盾！
自然地引入采用差动形式的变间隙式电容传感器，同样计算出非线性误差和灵敏度，进行比较，突出其优点。
（1）最简单的变间隙式电容传感器灵敏度分析
（2）相对非线性误差
（3）差动变间隙式电容传感器
a）差动结构灵敏度分析
a）差动结构非线性误差分析
4）固定介质与可变间隙式电容传感器
变面积式电容传感器
总共举3个例子（3种常见的变面积式）来进行讲解，对于每个例子，分别从结构特点、电容计算公式、相对变化、灵敏度等几个方面来介绍。
最后总结：综合上述分析，变面积式电容传感器不论被测量是线位移还是角位移，位移与输出电容都为线性关系（忽略边缘效应），传感器灵敏系数为常数。
（1）板状线位移式电容传感器
（2）圆柱式线位移电容传感器
普通结构
差动结构
（3）角位移式电容传感器
变介电常数式电容传感器
首先介绍不同物质具有不同的介电常数，引出变介电常数式电容传感器。
结合电容液位计介绍变介电常数式电容传感器的工作原理。
公式的推导过程不是重点，让学生下课后自己推导，结论是重点，对计算结果要认真分析。
常见结构
电容计算
结论：电容量C与位移量x成线性关系。
(3) 补充介绍一些实际的例子，给出工业用电容液位计的实物图片。
(4) 应用举例：电容式液位计
结论：传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。
等效电路
教学设计：
这一部分的内容较抽像，以教师讲解为主，力求讲得通俗易懂。
首先要说明附加损耗及电感效应对电容传感器等效电容的影响，也就是为什么要讨论它的等效电路。
对寄生电容Cp的解释要详细，因为它对传感器的输出特性影响较为严重。
最后，得到计算公式并给出结论和应用中的注意事项。
§2.4.3电容式检测元件的温度补偿及抗干扰问题
1.温度对电容式检测元件的影响
（1）温度对结构尺寸的影响
（2）温度对介质介电常数的影响
2.消除寄生电容的影响
（1）缩小传感器至测量线路前置极的距离
（2）采用“驱动电缆”技术（“双层屏蔽等电位传输”技术）
（3）整体屏蔽法
§2.4.4电容式传感器的应用
目的、教学要求：了解各类电容式传感器的应用范围；掌握几种常用的电容式传感器的工作原理及其在工业现场的应用情况。
重点、难点：电容式压力（差压）传感器、电容式液位传感器、加速度传感器。
主要内容：
各类电容式传感器的应用范围；
电容式压力（差压）传感器、加速度传感、电容式荷重测量传感器、振动、位移测量仪、电容测厚传感器、电容式液位传感器。
教学设计：
首先，提出问题“学过的3种类型的电容式传感器分别适合测量哪些非电量？”
然后，在课堂上讨论，讨论结束后给出结论。
最后，按照主要内容以图片为例分别讲述各种类型的电容传感器。
本节作业
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