传感器原理及工程应用 第5章1w.ppt

第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用5.1 电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板 电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为第5章 电容式传感器电容式传感器分为变极距、变面积和变介质三种类型传感器的εr和S为常数, 初始极距为d0时, C0为5.1.1 变极距型电容传感器￿￿图为变极距型电容式传感器的原理图 der若极板间距离由初始值d0缩 小Δd,电容量增大ΔC,则有第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用在d0小时,同样的Δd变化引起 的ΔC大,传感器灵敏度高采用高介电常数的材料时C为￿dg e0eg d0云母片相对介电常数是空气7倍,击穿电压为空气的333倍 且(dg/ε0εg)恒定, 使传感器输出特性的线性度改善变极距电容式传感器起始电容在 20～100pF, 极距在25～ 200μm, 最大位移应小于间距的1/10,用于微位移测量传感器输出特性C=f(d)不是线性关系,而是双曲线关系变极距电容传感器只在Δd/d0很小时,才有近似线性输出第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用xbaDxdS变面积型电容传感器原理结构示意图。

5.1.2 变面积型电容式传感器传感器其电容量C与水 平位移Δx是线性关系 q电容式角位移传感器原理图. 传感器的电容量C与θ呈线性关系当θ=0时:C0=ε0εrpS0/d =ε0εrpr/d第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用左图是一种测量液位高低的变极板 间介质的电容式传感器结构原理图5.1.3 变介质型电容式传感器￿设被测介质介电常数为ε1,空气为ε0 ,液面高度为h, 总高度为H,内筒外径 为d, 外筒内径为D,变换器电容值为 变换器的电容增量正比于被测液位高度h 第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用 变介质型电容传感器可测厚度,也可测非导电固体湿度若电介质εr1=1,当L=0时,传 感器初始电容C0=ε0L0b0/d0图示一种常用的结构型式相对介电常数为εr2的电介质 传感器总电容量C为电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系 介质进入极间L电容的相对变化为第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用除变极距型电容传感器外, 其它几种形式传感器的输入量 与输出电容量之间的关系均为线性的, 故只讨论变极距型 平板电容传感器的灵敏度及非线性当时，得5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性可知, 电容的相对变化量为相对变化量ΔC/C与输入位移Δd之间呈非线性关系。

电容传感器的灵敏度为 单位输入位移引起输出电容相对变化大小与d0呈反比关系 因Δd/d0C2时, 则τ1=R1C1>τ2=R2C2由 于充放电时间常数变化, 使电路中各点电压波形 产生相应改变,如图b 此时uA、uB脉冲宽度不再 相等,一个周期（T1+T2） 内其平均电压值不为零 经低通滤波器滤波可得当差动电容器的C1=C2时, 其平均电压值为零第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用把平行板电容的公式代入, 在变极板距离的情况下可得当差动电容C1 = C2 = C0, 即d1 = d2 = d0时, uAB = 0; 同样, 在变面积电容传感器中, 则有若C1≠C2,设C1 > C2,即d1=d0-d,d2=d0+Δd, 则差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动 式电容传感器,具有线性特性,且转换效率高,经低通放大 器就有较大直流输出,且调宽频率变化对输出没有影响 第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用图示为差动电容式压力 传感器的结构图一个 膜片动电极和两个在凹 形玻璃上电镀成的固定 电极组成的差动电容器5.4 电容式传感器的应用 5.4.1 电容式压力传感器当被测压力或压力差作用 于膜片并使之产生位移时 , 形成的两个电容器的电 容量,一个增大,一个减小 。

经测量电路转换成与压力相对应电流或电压变化第5章 电容式传感器传感器原理及工程应用图示为差动式电容加 速度传感器结构图5.4.2 电容式加速度传感器￿当壳体在垂直方向 上作直线加速运动 时,固定电极将相对 质量块产生正比于 被测加速度的位移 两电容间隙一增一减 ,使C1、C2产生正比 于被测加速度增量 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围 大,大多采用空气或其它气体作阻尼物质。