第三章电容式传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
—’般来说，差动式要比单组式的传感器好。差动式传感器不但灵敏度高而且线性范围
大，并具有较高的稳定性。
绝大多数电容式传感器可制成一极多板的形式。几层重叠板组成的多片型电容传感器
具省类似的单片电容器的(d一1)倍电容量。多片型相当于一个大面积的单片电容传感器，
但是它能缩小尺寸。
六、电容式传感器的输出特性
式(3—4)、(3—7)、(3—9)、(3—13)给出了单组式传感器的基本设计公式*差动式电容可以根据两个独立的、在一定位移范围内的单组电容cI和c2来计算。对于经常采用的、改变极距型的传感器，其输出特性可如下求得：
差动电容传感器的结构如图3—4所示．其输出特性曲线如图3—8所示。在零点位置k设
置一个可动的接地小心电极，它离两块置一个可动的接地小心电极，它离两块
五、电容式位移传团器的结构形式
电容式位移传感器的基本结构形式，按照将机械位移转变为电容变化的基本原理，通常
把它们分为面积变化型、极距变化型和介质变化型三类。这三种类型又可按位移的形式分为
线位移和角位移两种。每一种又依据传感器的形状分成千板型和圆筒型两种。电容式传感
器也还有其他的形状，但一般很少见。注意，圆筒式传感器不能用作改变极距的位移传感器。
厂云母片，极板之间的起始距离可以大大减小。同时式(3—5)分母中的：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，就能获得较灯的线
性关系。
一放电容式传感器的起始电容在20一30pF之间，极板距离在25—200Pm的范围内。最
大位移应该小于间距的1／10。
在实际应用中v为厂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
第一节电容式传感器的工作原理和结构
一、基本工作原理
电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。
由两个平行板组成的电容器的电容量为
（3—1）
式中 ——电容极板介质的介电常数。
——两平Fra Baidu bibliotek板所覆盖面积；
——两平行板之间的距离；
——电容量
当被测参数使得式(3—1)中的 、 和 发生变化时，电容量 也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此。电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距 来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
极板的距离均为d。．当中心电极在机械
位移的作用·厂发生位移AJ时，则传感器
电容量分别为
l刁JL
1
4罢＜1．上两式可按级数展开，得
cicDLll罢l(安1’t(案)’l
c2—e[1—瓮l(罢)”—(瓮J“f
c2＝42等t 2侩)‘t
箕—z等r1—
略去高次项测瓮与笑近似成线性关系：
芒、2等
此式可表示为图3—8的曲线。
差动电容式传感器的相对非线性误差r近似为
然而，非差动式电容传感器的非线性误差可由如下分析知道，以式(3—3)
c＝co—上面
笑＝笑(1
琶—罢[、t笑t
电容传感器的非线性误差为
AC
显然，差动式传感器的非线性误差r比单一电容传感器的非线性误差rI大大地降低。
当与适当的测量电路配合后，它的输出待性在关＝土33％的范围内，偏离直线的误差
动时、不影响电容器的输出特性。
四、变介质型电容式传惑器
图3—7为一种改变工作介质的电容式传感器
。d—p“J? J1
i十一
62 e1
c5＝6(Z—d)扁C＝6d下上下十6(J—M)了音—
生45l glt；
式中6—一—极板宽度。
设在电极小无i介质时的电容量为co
＝c9十认于JJ
太十左
式(313)表明．电容量c与位移d成线性关系。
改变平行板间距 的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。
二、变极距型电容式传感器
由式(3—1)可知，电容量c与极板距离d不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。若电容器极板距离由初始值do缩小 ，极板距离分别为do和do- ，其电容量分别为C0和C1，即
(3—2)
(3—3)
当Ad《Ju时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为
一W
一一这时c1与AJ近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad在极
小的范围内变化。
另外，由图3—2可以看出，当众。较小时，对于同样的AJ变化所引起的电容变化量Ac
可以增大，从而使传感器的灵敏度提高；但JI过小时，容易引起电容器击穿。改善击穿条件
度等)对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式，其原理如图3—4所示。当动极板移动
后．cL和〔”z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。
三、变极板面积型电容式传感器
国3—；是一只电容式角位移传感器的原理图
遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。
当动极板有一个角位移6时
当9＝o时，则式中el——介电常数。
当6760时，则
图3—6为圆柱形电容式位移传感器。在初始的位置(即“＝o)时
此时电容量为
co＝材
式中J、从和Dl的单位为cm，c。的单位为pF。
当动极板发生位移“后，其电容量为c＝c。一C于(3—t3)
即(‘’i d基本上成线性关系。采用圆柱形电容器的原因．主要是考虑到动极板稍作径向移
第三章电容式传感器
电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。
的办法是在极板间放置云母片，如图3—3所示。此时电容c变为
c——i?
云母的相对介电系数，午
空气的介电系数，s。＝15
云母片的厚度；
空气朗厚度。
云母的相对介电系数为空气的7倍，其击穿电压不小于103kv／mm、而空气的击穿电压仅为3kv／mm。即使厚度为o．01mm e6云母片．它的击穿电压也不小于10kv／mm。因此有
大，并具有较高的稳定性。
绝大多数电容式传感器可制成一极多板的形式。几层重叠板组成的多片型电容传感器
具省类似的单片电容器的(d一1)倍电容量。多片型相当于一个大面积的单片电容传感器，
但是它能缩小尺寸。
六、电容式传感器的输出特性
式(3—4)、(3—7)、(3—9)、(3—13)给出了单组式传感器的基本设计公式*差动式电容可以根据两个独立的、在一定位移范围内的单组电容cI和c2来计算。对于经常采用的、改变极距型的传感器，其输出特性可如下求得：
差动电容传感器的结构如图3—4所示．其输出特性曲线如图3—8所示。在零点位置k设
置一个可动的接地小心电极，它离两块置一个可动的接地小心电极，它离两块
五、电容式位移传团器的结构形式
电容式位移传感器的基本结构形式，按照将机械位移转变为电容变化的基本原理，通常
把它们分为面积变化型、极距变化型和介质变化型三类。这三种类型又可按位移的形式分为
线位移和角位移两种。每一种又依据传感器的形状分成千板型和圆筒型两种。电容式传感
器也还有其他的形状，但一般很少见。注意，圆筒式传感器不能用作改变极距的位移传感器。
厂云母片，极板之间的起始距离可以大大减小。同时式(3—5)分母中的：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，就能获得较灯的线
性关系。
一放电容式传感器的起始电容在20一30pF之间，极板距离在25—200Pm的范围内。最
大位移应该小于间距的1／10。
在实际应用中v为厂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
第一节电容式传感器的工作原理和结构
一、基本工作原理
电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。
由两个平行板组成的电容器的电容量为
（3—1）
式中 ——电容极板介质的介电常数。
——两平Fra Baidu bibliotek板所覆盖面积；
——两平行板之间的距离；
——电容量
当被测参数使得式(3—1)中的 、 和 发生变化时，电容量 也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此。电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距 来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
极板的距离均为d。．当中心电极在机械
位移的作用·厂发生位移AJ时，则传感器
电容量分别为
l刁JL
1
4罢＜1．上两式可按级数展开，得
cicDLll罢l(安1’t(案)’l
c2—e[1—瓮l(罢)”—(瓮J“f
c2＝42等t 2侩)‘t
箕—z等r1—
略去高次项测瓮与笑近似成线性关系：
芒、2等
此式可表示为图3—8的曲线。
差动电容式传感器的相对非线性误差r近似为
然而，非差动式电容传感器的非线性误差可由如下分析知道，以式(3—3)
c＝co—上面
笑＝笑(1
琶—罢[、t笑t
电容传感器的非线性误差为
AC
显然，差动式传感器的非线性误差r比单一电容传感器的非线性误差rI大大地降低。
当与适当的测量电路配合后，它的输出待性在关＝土33％的范围内，偏离直线的误差
动时、不影响电容器的输出特性。
四、变介质型电容式传惑器
图3—7为一种改变工作介质的电容式传感器
。d—p“J? J1
i十一
62 e1
c5＝6(Z—d)扁C＝6d下上下十6(J—M)了音—
生45l glt；
式中6—一—极板宽度。
设在电极小无i介质时的电容量为co
＝c9十认于JJ
太十左
式(313)表明．电容量c与位移d成线性关系。
改变平行板间距 的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。
二、变极距型电容式传感器
由式(3—1)可知，电容量c与极板距离d不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。若电容器极板距离由初始值do缩小 ，极板距离分别为do和do- ，其电容量分别为C0和C1，即
(3—2)
(3—3)
当Ad《Ju时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为
一W
一一这时c1与AJ近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad在极
小的范围内变化。
另外，由图3—2可以看出，当众。较小时，对于同样的AJ变化所引起的电容变化量Ac
可以增大，从而使传感器的灵敏度提高；但JI过小时，容易引起电容器击穿。改善击穿条件
度等)对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式，其原理如图3—4所示。当动极板移动
后．cL和〔”z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。
三、变极板面积型电容式传感器
国3—；是一只电容式角位移传感器的原理图
遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。
当动极板有一个角位移6时
当9＝o时，则式中el——介电常数。
当6760时，则
图3—6为圆柱形电容式位移传感器。在初始的位置(即“＝o)时
此时电容量为
co＝材
式中J、从和Dl的单位为cm，c。的单位为pF。
当动极板发生位移“后，其电容量为c＝c。一C于(3—t3)
即(‘’i d基本上成线性关系。采用圆柱形电容器的原因．主要是考虑到动极板稍作径向移
第三章电容式传感器
电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。
的办法是在极板间放置云母片，如图3—3所示。此时电容c变为
c——i?
云母的相对介电系数，午
空气的介电系数，s。＝15
云母片的厚度；
空气朗厚度。
云母的相对介电系数为空气的7倍，其击穿电压不小于103kv／mm、而空气的击穿电压仅为3kv／mm。即使厚度为o．01mm e6云母片．它的击穿电压也不小于10kv／mm。因此有