电容传感器论文.

血照& z %人身滨江学院

论文报告

题目电容式传感器

姓名______________

学号20102305911

学院__________

专业电子信息工程

年级___________ 10级 ____________

指导老师周欣_____________________

2013年6月15 日

引言

用电测法测虽非电学虽时，首先必须将被测的非电学虽转换为电学虽而后输入之。通常把非电学虽变换成电学虽的元件称为变换器；根据不同非电学虽的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学虽（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。

慕从能虽转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学虽转换成电压或电流后进行放大和处理。力学虽中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的虽；这些虽乂都是通过长度或者长度比值进行测虽的虽，而其测虽方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学n变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测虽极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测虽中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1〜5 数虽级；而有一种电容测微仪，他的分

辨率为0.01 p m比前者提高了两个数虽级，最大虽程为100± 5 p m因此他在精密小位移测虽中受到青睐。

慕对于上述这些力学虽，尤其是缓慢变化或微小虽的测虽，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是

这类传感器具有以下突出优点：

盈(1)测虽范围大其相对变化率可超过100%;

盈(2)灵敏度高如用比率变压器电桥测虽，相对变化虽可

达10-7数虽级；

(3)动态响应快因其可动质虽小，固有频率高，高频特性既适宜动态测虽，也可静态测虽；

盈(4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在局温、低温强磁场、强幅射下长期工作，尤其是解决局温高压环境下的检测难题。

电容式传感器工作原理

电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的

电容虽为C=2!eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。在实际测虽中D、d、e是基本不变的，故测

得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。

电容式传感器优缺点

电容器传感器的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度

高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测虽精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

原理及应用

盈电容传感器的工作原理是利用力学量变化使电容器中其中的一个参数发生变化的方法来实现信号变换的。根据改变电容器的参数不同，电容传感器可有3类：

2.1改变极板遮盖面积的电容传感器

慕图1是3种这类传感器的原理图，图1(a)中是利用角位移来改变电容器极板遮盖面积。假定当2块极板完全遮盖

时的面积为两极板间的距离为d,极板间介质的介电常数为£。当忽略边缘效应时，该电容器的电容H为：

板间的相互遮盖面积为:

—.So = S|0(l 一IT W

窗面电容量也tt登化了,其值为，

=刁-------- --------- G-Cf

这样电容器的电容变化■为:

u)

可见，此电容虽的变化值和角位移成正比，以此用

来测H角位移。

慕图1(b)中是利用线位移来改变电容器极板的遮盖面积

的。如果初始状态极板全部遮盖，则遮盖面积80= ab,当块极板相对位移x时，则极板的遮盖面积变为S=b(a-x)。

在介电常数和极板距离不变时，电容H:分别为:

厂必(甘一丁) L

C = M—T~ = J _ —Gt a一

噌容的变化量为，

AC = C

府可见，此电容虽的变化值和线位移x成正比，用他来测虽各类线位移。

图1(c)所示电容变换器是图1(b)所示电容器的变

种。采用这种锯齿形电极的目的在于提高传感器的灵敏度。

若锯齿数为n,尺寸如图1(b)所示不变，当运动齿相对于固定齿移动一个位移x时，则可得:

g 一y ⑶

比较式(2)和式(3)可见，灵敏度提高了n倍。

慕图2是2种改变介质介电常数的电容式传感器的原理

图。图2(a)常用来检测液位的高度，图2(b)常用来检测片状材料的厚度和介电常数。

图2(a)中由圆筒1和圆柱2构成电容器两极,

假定部分浸入被测虽液体中(液体应不能导电，若能导电, 则电极需作绝缘处理)。这样，极板间的介质由2部分组成: 空气介质和液体介质，由此而形成的电容式料位传感器，由

于液体介质的液面发生变化，从而导致电容器的电容C也发生变化。这种方法测虽的精度很高，且不受周围环境的影响。

总电容C由液体介质部分电容C l和空气介质部分电容G两部分组成：

G =(KS7；-加"-

所以丸

G + E / + !nfi/r r 2富虹］2覆3］—q)与"hSA + I 两方~r

式中］A—电容群的总商度，

x 一电容器浸入液体中的深度；

盈R 一同心圆电极的外半径；

草r 一同心圆电极的内半径；

晶$ i 一被测液体的介电常数；

Xs £ 2 一空气的介电常数。

慕当容器的尺寸和被测介质确定后，则h, R, r, 8 1和

£ 2均为常数，令：

Z祁上. 加51 一土)勺

* =威7；，札--- 1H析—

则有： C = % +折T 〈4)

潼这说明，电容虽C的大小与电容器浸入液体的深度X

成正比。