传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第2章(2)
25页1、2.2 电容式传感器,电容式传感器(capacity transducer/sensor)是以电容器作为传感元件,将被测物理量转换为电容的变化量,再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量,而且可以用于压力、压差、液位、成分含量等方面的测量。,2.2.1 电容式传感器的特点 与其他种类的传感器相比,电容式传感器有其自身的特点,它的优点包括以下几点: 1) 温度稳定性好。电容式传感器的电容值一般与电极的材料无关,仅取决于电极的几何尺寸,由于大多用真空空气和其他气体作为绝缘介质,介质的损耗非常小,热能损失也小。所以,电容式传感器几乎不存在自身发热的问题。 2) 动态响应好。电容式传感器动态响应很短,而且由于介质损耗小,因此工作频率高,适合动态信号的测量,如振动和瞬时压力等。 3) 静态引力小。电容传感器的两极板间由于静电场的存在,使两极板间存在静电力。对于平板电容有这样的数据: , ,极板电压 , 静电引力 。由此可见,在信号检测过程中,只需要施加较小的作用力,就可以获得较大的电容量及高阻抗的输出。,4)结构简单,适应
2、性强 电容式传感器结构多采用无机材料作绝缘支架,用金属或在非金属材料上镀以金属做极板。所以其结构简单,易于制造、精度高。具有可在高温、低温、强辐射和强磁场等恶劣环境下工作的特点,并且体积小,便于在某些特殊场合下进行测量。 5) 非接触式测量 电容式传感器可进行非接触式测量,如在机械振动测量中,常常以运动的机件作为传感元件的一个极板,另一个极板则为测试仪器的一个探头。 电容式传感器的缺点:,寄生电容指连接传感器的电缆电容、电子线路的杂散电容及电容式传感器内极板与周围导体构成的电容。由于寄生电容较大,不仅降低了传感器的灵敏度,而且这些电容随时间变化,使仪器工作不稳定,影响测量精度。,2)寄生电容影响大,电容式传感器由于受其电极几何尺寸的影响,初始电容都很小。电容量越小,容抗就越大,视在功率就越小。因此其输出阻抗高,功率小,带负载能力差,容易受外界干扰产生不稳定现象。,1)输出阻抗高,负载能力差,2.2.2 电容式传感器的工作原理,平板电容式传感器由两个金属极板,中间夹一层电介质构成,如图2-12所示。在不考虑边缘效应的情况下,其电容量的计算表达式为:,(2-34),式中,A为电容两平行板所
3、遮盖的面积 , 为极板间介质的介电常数(F/m); 是极板间介质相对介电常数; 是自由空间(真空)介电常数, ; d 为两平行板间距离 。,图2-12 平行板电容器,由式 (2-34) 可知,当 A 、 和 d 三个变量发生变化时,电容量C将随之发生变化。通常情况下保持其中两个变量不变,只改变另一个变量,然后把其变化转换成电容量的变化,通过测量电路将其转换成电量输出。据此,电容式传感器分为三种:变极距型电容式传感器、变面积型电容式传感器和变介质型电容式传感器。,1) 变极距型电容式传感器,当电容式传感器的介电常数和面积不变,极板间距离初始值为 ,缩小了 ,则其初始电容 和改变后电容 分别为:,(2-35),(2-36),如果极板间的距离变化很小, ,将式 (2-36) 按泰勒级数展开为,(2-37),对式(2-37)进行线性化处理,忽略高次的非线性项,可得,(2-38),由此可见,这时 和 近似呈线性关系,所以改变极板距离的电容式传感器往往设计成 在极小范围内变化。,在实际的应用中,为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素对测量的影响,常常需要把传感器做成差动形式,如图2-13所示。初
4、始时极板间的距离都相等为 ,当中间极板移动 后, 和 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。,图2-13 差动式电容传感器结构示意图,对应的传感器的电容量分别是:,(2-39),(2-40),若位移量 很小,且 ,则电容总的变化量 ,按泰勒级数展开为:,(2-41),电容量的相对变化为:,(2-42),忽略高次项,则有 ,说明电容的变化量与位移近似呈线性关系。,差动电容式传感器的相对非线性误差 近似为:,(2-43),其灵敏度为:,(2-44),而非差动式即单一变极距型电容式传感器的非线性误差为:,(2-45),灵敏度为:,(2-46),由此可见,灵敏度与板间距离的平方成反比,极距越小,灵敏度越高。通过对差动式电容传感器与非差动式传感器相比,其输出量和灵敏度均提高了一倍,非线性误差有所减小,且工作温度性好。,2) 变面积型电容式传感器,变面积型电容式传感器是不改变极板间距和介电常数,通过改变平板电容器的面积使,电容量发生变化的电容器。常见的类型有平板式直线位移电容传感器、圆柱式直线位移电容传感器和角位移式电容传感器三种。,平板
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