第三章电容式传感器.pdf

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本章主要内容:
电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量,且逐步应用
于压力、压差、液面等方面的测量。本章着重介绍电容式传感器的结构原理及结构形式,讨
论电容式传感器的测量电路、影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施。要求初步掌
握电容式传感器的原理及应用
第一讲电容式传感器的工作原理和结构
教学目的要求:掌握变间隙式、变面积式及变介电常数式三种电容传感器的工作原理,结构
类型及工作原理基本应用;
教学重点:


教学难点:电容传感器的输出特性
教学学时:2学时
教学内容:
一、电容传感器的工作原理及输出特性
工作原理:
SS
由平板电容公式:Cr0可知:
dd
当d,S和中的某一项或某几项有变化时,就改变了电容C。在交流工作时,改变C
r
就相当于改变了容抗X,从而使输出电压或电流发生变化。d和S的变化可以反映位移线
C
或角位移的变化,也可以间接弹力、压力等的变化;的变化,则可以反映液面的高
r
度、材料的温度等的变化。
二、电容式传感器的结构形式
结构类型:改变极板距离d的变间隙式,改变极板面积S的变面积式,改变介电常数的
r
变介电常数式。
三、电容式传感器的特性

S
C
0d
当被测量的变化引起间距减小了△d时,
d
如△d<<d时,1()21
d
则
d
CCC(1)
00d
或
Cd

Cd
0
说明:
1).电容C的相对变化△C/C与输入位移△d之间的关系是非线性的,只有当△d<<d时,
0
才可认为是近似线性关系。
2).电容式传感器的灵敏度为
CCS
K0
ddd2
增大S和减小d均可提高传感器的灵敏度。

图3-4所示为一直线位移型电容式传感器的原理图
bx
CCCxC
0d0a
说明:
1)电容C的相对变化△C/C与直线位移△x呈线性关系
0
2)测量的灵敏度为
CCb
K0
xad
减小两极板间的距离d,或增大极板的边长b可提高传感器的灵敏度,但d的减小受到
电容器击穿电压的限制,而增大b则受到传感器体积的限制。需要说明的是,位移△x不能
太大,极板的另一边长a不宜过小,否则会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。
3)齿形极板的电容式线性位移传感器可有效提高灵敏度
灵敏度为
Cb
Kn其中n为齿数
xd
4)变面积传感器可测量角位移的变化
图3-5所示为一角位移型电容式传感器的原理图

则:CCCC可见,
00
电容C的相对变化△C/C与角位移也呈线性关系。
0

当电容式传感器中的电介质改变时,其介电常数变化,从而引起了电容量发生变化
如图:CCC
AB
而CA与CB与介质的种类和介质厚度和深度都有
关系。

11
x
即:CCCC2
00ad
11
d
22

在实际应用中,为了提高传感器的灵敏度,常常做成差动形式。

(1)静电击穿问题
应对办法:为防止击穿,通常在两极板间再附加
一层云母或塑料薄片
(2)边缘效应
应对办法:增设防护电极,如图3-8
(3)寄生电容。
产生原因;
电容式传感器除了极板间的电容外,极板还可能与周围物体(包括仪器中的各种元件
甚至人体)之间产生电容联系,这种电容称为寄生电容。
应对办法:
对传感器进行静电屏蔽,即将电容器极板放置在金属壳体内,并将壳体良好接地。出于
同样原因,其电极引出线也必须用屏蔽线,且屏蔽线外套须同样良好接地(驱动电缆技术)
驱动电缆技术:
这一技术的基本思路是将电极引出线进行内外双层屏蔽,使内层屏蔽与引出线的电位相
同,从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电,而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。
(4)温度误差
应对办法:选择合适的电极材料或在测量电路中加以补偿
本讲小结
本讲主要讲述电容传感器原理、类型及输出特性,可以看出:变间隙式电容传感器一般
适合测量微小位移和微小振动,而变面积式则可测量位移范围要大一些,而且线形度也好一
些。
作业
?分别采取什么措施加以解决?
-21所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离d=。若用此
变面积式传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度。已知极板间介质为空气。