电容式压力传感器优秀课件

传感器与检测技术
Da
R
r
a
lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A
a
C
r R B
O
11
2、变面积型电容传感器
传感器与检测技术
变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特 别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板 径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构， 其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为
C 2l
ln(r2 / r1)
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一、 工作原理
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平板电容器
定极板
C A0r A
d
d
d
C —— 电容量，单位：F 法拉
0 —— 真空介电常数，8.85×10-12 F/m
r —— 极板间介质的相对介电常数
S —— 极板的有效面积（m2）
d —— 两平行极板间的距离（m）
动极板
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电容式传感器
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变极距型 变面积型 变介电常数型
解：
C mi n2 ln r 02 H 2(8.8p l5n 5/F m )1.2m4.4 1p 6F
r1
Cma x 2ln 0r2rH4.146 pF 1.28.707 pF
r1
Vd2H (0.5m )21.2m 2.3 6L5
4
4
K C m a C m x i8 n.0 7 p 7 F 4 .4 1 p 6 F 0 .1p 9 /L F
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3、变介电常数型电容传感器
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变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介 质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随 温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿 度等。
若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如 下图，传感器的电容量与被厚度的关系为
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C
ab
(x)/0x/
C
0
d
Dd Dd
固定极板 可动极板
C0 — 极距为时的初始电容量 DC —电容变化量
6
C
DC C0
0 Dd d0
C- d 特性曲线
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该类型电容式传感器 存在着原理非线性，所以 实际应用中，为了改善非 线性、提高灵敏度和减小 外界因素(如电源电压、 环境温度)的影响，常常 d 作成差动式结构或采用适 当的测量电路来改善其非 线性。
K 2( 0)
ln(r2 /r1)
可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。18
例 某电容式液位传感器由直径为40mm和传8m感m器与的检两测个技术同 心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为 1.2m。被储存液体的εr ＝2.1。计算传感器的最小电容和 最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)
V
2.6 3 L5
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二、 转换电路
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（一） 电容式传感器等效电路
L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：
r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；
C0为传感器本身的电容； Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总 寄生电容；
Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质 损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造
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电容式压力传感器优秀课件
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电容器是电子技术的三大类无源元件（电阻、 电感和电容）之一，利用电容器的原理，将非电量 转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器 件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具 有可变参数的电容器。
非电量
电容量变化
电容元件
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▪ 优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应 性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。
▪ 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成 技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电 容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优 点得以充分发挥。
▪ 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、 湿度和成分含量等测量之中。
工艺上和材料选取上应保证足够大。
r
C0
Ce
re
Cp L
Re
L
Ce
Rg
供电电源频率为谐振频率的1/3~1/220
（二）测量电路
1、电桥电路传感器与检测技术
将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固
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DCC0dD d DdC0D dd1D dd1
当Dd/d01时，泰勒级数展开
1
xn,
x 1
1x n1
D C C 0 D dd 0 1D dd 0 D dd 02D dd 03. .
..
.
.
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讨论：
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(1) 略去高次项
DC Dd , C0 d0
KDCC0S1
C1 δx
C2
C
厚度传感器
C3
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若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图， 传感器的电容量与被位移的关系为
lx
l
平 板
C1
C4
C2
C
形
C3
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C(x)b /x0lx/b(a/ l0x)
a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极 板间的长度 ； Δ：两固定极板间的距离；
Dd d0 d02 d02
(2) 考虑二次项
DCDd1Dd C0 d0 d0
相对非线性误差ef为：
ef
(Ddd0)2 Dd
10% 0Ddd010% 0
d0
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传感器与检测技术
DC/C0 0.4 0.3 0.2 0.1
特性曲线 线性化
0
0.1 0.2 0.3 0.4 Dd/d0
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2. 变面积型电容传感器
δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气
的介电常数 。
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若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器传如感下器与图检，测技传术感 器的电容量与被液位的关系为
2r2 2r1
hx
h
C1 C2
C
液位传感器
Cl2n r20 /(h r1)2l(nr 2/(r0 1))hxAKxh
A 20h
ln(r2 / r1)
l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。
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当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为
D C 2 l 2 (l D l )
ln( r2 / r1 ) ln( r2 / r1 )
2 D l
ln( r2 / r1 ) Dl
C0 l 这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位 移等参数。
d、A 和 r 中的某一项或几项有变化时，就改
变了电容 C0、d 或 A 的变化可以反映线位移或角位 移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；
r 的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。
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1. 变极距型电容传感器
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d Dd
DC S S d Dd d
A Dd d d Dd