第4章电容式传感器.ppt
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1、第4章 电容式传感器,4.1传感器的工作原理及类型 4.2电容传感器的灵敏度及非线性 4.3电容传感器的特性等效电路 4.4电容传感器的设计要点 4.5电容式传感器的转换电路 4.6电容式传感器的应用举例 本章要点,下页,返回,图库,4.1 电容式传感器的工作原理及类型,电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的-种传感器。 1、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 s C = d 式中 -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,下页,上页,返回,图库,下页,上页,返回,由上式可知,改变
2、电容C的方法有三种,其一为改变介质的介电常数;其二为改变形成电容的有效面积;其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量C,这就成了电容式传感器。 2、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,即变极距(或称变间隙)型、变面积型和变介电常数型。 它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。,4.1 电容式传感器的工作原理及类型,图库,图4-1 变换距型电容传感器结构 图4-2 变面积型电容传感器结构图 图4-3 变面积型电容传感器结构图,下页,上页,返回,4.1 电容式传感器的工作原理及类型,图库,4.2 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
3、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。 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d时,则传感器电容为:,下页,上页,返回,图库,灵敏度k为 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。,下页,上页,返回,4.2 电容传感器的灵敏度及非线性,图库,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 变面积型和变介电常数型(测厚除外)电容传
4、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。,下页,上页,返回,4.2 电容传感器的灵敏度及非线性,图库,4.3 电容传感器的等效电路,4.3.1 电容传感器的特点,下页,上页,返回,图库,优点: 温度稳定性好 结构简单、适应性强 动态响应好 可以实现非接触测量,具有平均效应点,缺点: 输出阻抗高,负载能力差 寄生电容影响大 输出特性非线性,4.4 电容传感器的设计要点,4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 4.4.2消除和减小边缘效
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