文档介绍：第5章电容式传感器
电容式传感器的工作原理和结构
电容式传感器的灵敏度及非线性
电容式传感器的等效电路
电容式传感器的测量电路
电容式传感器的应用
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
(5-1)
式中: ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0εr,其中ε0为真空介电常数,εr极板间介质的相对介电常数;
S——两平行板所覆盖的面积;
d——两平行板之间的距离。
当被测参数变化使得式(5-1)中的S、 d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。图5-1所示为常用电容器的结构形式。图(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)为变面积型, 图(a)和(e)为变极距型, 而图(i)~(l)则为变介电常数型。
图5-1 电容式传感元件的各种结构形式
变极距型电容传感器
图 5-2为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr和S为常数,初始极距为d0时,由式(5-1)可知其初始电容量C0为
(5-2)
若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd,电容量增大了ΔC,则有
(5-3)
图5-2 变极距型电容式传感器
图5-3 电容量与极板间距离的关系
在式(5-3)中,若Δd/d0<<1时,1-(Δd/d0)2≈1,则式
(5-4)
此时C与Δd近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时,才有近似的线性关系。
另外,由式(5- 4)可以看出,在d0较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此,极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质, 如图 5-4 所示,此时电容C变为
(5-5)
式中:εg——云母的相对介电常数,εg=7;
ε0——空气的介电常数,ε0=1;
d0——空气隙厚度;
dg——云母片的厚度。
图5-4 放置云母片的电容器