文档介绍：第4章电容式传感器
电容传感技术是在近几年来取得很大进展的,
它不但被广泛地用于位移、振动、加速度等机械量的测量,
而且逐步扩大应用于差压、液面、料位、成分含量等方面的测量。
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电容式传感器的工作原理及类型
电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电容和电感)之一,电容式传感器就是利用电容器的原理,将非电量的变化转换为电容量的变化,进而实现非电量测量的一种传感器。
一、工作原理
由物理学可知,两个平行金属极板组成的电容器,如果不考虑其边缘效应,其电容为
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式中ε--两个极板间介质的介电常数;
s--两个极板相对有效面积;
d--两个极板间的距离
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由上式可知,当被测参数使得电容器的介电常数、有效面积、间距发生变化时,电容量随之变化。
如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数,就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
二、类型
根据上述原理,在应用中电容式传感器可以有三种基本类型:
改变极板间距离的变极距(或称变间隙)型、
改变极板面积的变面积型、
改变介质介电常数的变介电常数型。
电容式传感器的工作原理及类型
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图4-1是变极距型电容传感器的结构原理图。
图中1为固定极板;2为活动极板,
其位移是被测量变化而引起的。当活动极板向上移动一定距离时,由此引起的电容增量为
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电容式传感器的工作原理及类型
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可以看出电容增量与移动距离不是线性关系。
但实际应用中若满足量程远小于极板间初始距离时,可以认为两者是线性关系。
因此这种类型的电容传感器一般用来测量微小变化的量,。
在实际应用中,为了改善非线性、提高灵敏度和克服外界因素(如激励源电压、环境温度等)对测量的影响,
通常把传感器做成差动结构形式,当活动极板2向上移动时,上下两个电容量将会同时发生变化,
它们一个电容值随位移增加,另一个电容值则相应减小。
电容式传感器的工作原理及类型
图4-2是变面积型电容传感器的一些结构示意图。
当被测量变化使活动极板产生位移时,就改变了电极间的遮盖面积,电容量C也就随之变化。
对于电容间遮盖面积由S变为S’时,则电容增量为
此时电容的变化量与面积的变化量成线性关系。
因此与变极距型相比,变面积型的测量范围大,可测较大的线位移或角位移。图b结构的具体定量关系。
电容式传感器的工作原理及类型
图4-3是变介电常数型电容传感器的结构原理图。
这种传感器大多用来测量介电质的厚度(图a)、位移(图b)、液位、液量(图c),还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。图a测厚度的定量关系。
以图(c)测液面高度为例,其电容量与被测量的关系为
电容传感器的灵敏度及非线性
这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介质,如图4-1情况。
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对单极式电容表达式为:
其初始电容值为:
当极板距离有一个增量Δd时,则传感器电容为:
灵敏度k为
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电容传感器的灵敏度及非线性
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只有比值d/d0 很小时才可认为是接近线性关系,这就意味着使用这种形式传感器时,被测量范围不应太大。
减小d0,灵敏度提高;同时d0小,电容容易击穿,而且加工精度要求高,非线性误差增大。
为在比较大的范围内使用此种传感器,可适当的增大极板间的初始距离 d0 ,以保证比值d/d0不致过大,
但会带来灵敏度下降的缺点,同时也使电容传感器的初始值减小,寄生电容的干扰作用将增加。
常采用差动式电容传感器(灵敏度提高一倍)
变面积型和变介电常数型(测厚除外)电容传感器具有很好的线性。
但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的。
实际上由于边缘效应仍存在非线性问题,且灵敏度下降,
但比变极距型好得多。
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电容传感器的灵敏度及非线性
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