文档介绍：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
电容式传感器的测量电路
电容式传感器的应用
第5章电容式传感器
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第5章电容式传感器
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
式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε=ε0·εr, 其中ε0为真空介电常数, εr为极板间介质相对介电常数;
A——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A#,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、变面积型和变介质型三种类型。
一、变极距型电容传感器
图 5 - 1 为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数, 初始极距为d0时, 由式(5 - 1)可知其初始电容量C0为
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有
C1=C0+ΔC=
由式(5 - 3)可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是如图 5- 2 所示双曲线关系。
此时C1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, 才有近似的线性输出。
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- 3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。
云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000 kV/mm, 而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。同时, 式(5-5)中的(dg/ε0εg)项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20~100pF之间, 极板间距离在25~200μm的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。
二、变面积型电容式传感器
图 5 - 4 是变面积型电容传感器原理结构示意图。
图5-4 变面积型电容传感器原理图
C=C0- C=
式中C0=ε0εrb0L0/d0为初始电容。电容相对变化量为
很明显, 这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx是线性关系。
图 5 - 5 是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变, 从而改变了两极板间的电容量。当θ=0 时, 则
图5-5 电容式角位移传感器原理图
C0=ε0εrA0d0 (5 - 8)
式中: εr——介质相对介电常数;
d0——两极板间距离;
A0——两极板间初始覆盖面积。
当θ≠0时, 则
C1=ε0εrA0 (5 - 9)
从式(5 - 9)可以看出, 传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。