传感器章电容详解.ppt

2014 4、非接触电容式位移传感器 位移测量 其他应用 * * 第3章 电容式传感器 电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等优点。因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的广泛应用。 第3章 电容式传感器 3.1 电容式传感器的基本原理及性能特点 由式可以看出， ，A，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。 工作原理可以用图3.1.1所示的平板电容器来说明。设两极板相互覆盖的有效面积为A（m2），两极板间的距离为d（m），极板间介质的介电常数为 （F·m-1），在忽略板极边缘影响的条件下，平板电容器的电容量C（F）为 C= A/d 3.1.1 变面积式电容传感器 图3.1.2是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 电容因位移而产生的变化量为 其灵敏度为 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。 图3.1.3是此类传感器的几种派生形式。图是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为 图3.1.3b中极板采用了锯齿板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿板极板的齿数为n，移动△x后，其电容量为 其灵敏度为 由前面的分析可得出结论，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线性关系。 3.1.2 变间隙式电容传感器 图3.1.4为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活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，从而改变了两极板之间的电容量C。 设极板面积为A，其静态电容量为 ，当活动极板 移动x后，其电容量为 当x＜＜d时 只有当 x＜＜d时，可认为是近似线形关系。要提高灵敏度，应减小起始间隙d。当d过小时，容易引起击穿，加工精度要求也高了。一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。 3.1.3 变介电常数式电容传感器 当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种，图3.1.5为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。 由图看出，此时传感器的电容量为 ；其中： 设极板间无ε2介质时的电容量为： ；当ε2介质插入两极板间则有： 电容量C与位移x呈线性关系 3.2 电容传感器输出特性 设 1，可以忽略高次项，得到近似的线性关系为： 变极距式电容传感器的灵敏度为： （常数），若取一、二次项得到： 传感器的相对非线性误差（线性度）为： 在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构，如右图所示。若极距发生变化，则有 差动平板式电容传感器结构 除变极距型电容传感器外，其它两种电容传感器的输入量与输出电容量之间均为线性关系，故本节只讨论变极距型平板电容传感器的输出特性（线性度和灵敏度）。 电容的相对变化量为： 按极数展开得 电容相对变化量为： 略去高次项，则得灵敏度为： 非线性误差为： 由上分析可知，电容式传感器做成差动式结构之后，其非线性大大减小，而其灵敏度提高了一倍。同时，差动式传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效改善因温度等环境影响所造成的误差。 3.3 电容传感器的等效电路（略） 3.4 电容式传感器的常用测量电路 用于电容式传感器的测量电路很多,常见