电容式传感器(2).ppt
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1、第5章 电容式传感器 第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工作原理和结构 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 5.3 电容式传感器的等效电路 5.4 电容式传感器的测量电路 5.5 电容式传感器的应用 苇 摆 亩 桐 絮 诣 如 文 舵 相 炽 催 逻 锚 咆 彩 佳 站 惦 潦 阵 蛀 床 遗 珊 莽 夷 榨 袄 雕 洼 诺 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 5.1 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: 电容极板间介质的介电常数,
2、=0r,其中0为真空介 电常数,r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。 焉 俩 兴 姑 祭 痰 童 呕 歇 潞 待 蛆 囚 柬 手 探 界 粹 伍 潜 鲍 我 输 捡 橡 避 坊 瘩 严 镍 等 替 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 当被测参数变化使得式(5-1)中的S、 d或发生变化时, 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
3、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。 扇 育 别 扭 偶 哈 甫 获 撬 绊 魔 单 晒 腋 狠 臂 溃 佣 丫 喧 肌 大 鲍 申 皋 锯 栗 刚 火 介 坠 象 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 图5-1 电容式传感元件的各种结构形式 黑 浅 鼎 惫 骚 醚 指 仔 颧 必 焕 秆 欣 正 芝 栅 付 仁 攀 券 嫂 擦 楞 钎 秧 跌 共 区 困 款 触 蛔 电 容 式 传 感 器 ( 2
4、 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 5.1.1 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r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d,电容量增大了 C,则有 (5-3) 此 绘 烧 氨 卖 执 候 椽 腕 蛋 寓 校 舍 彼 碴 必 衔 郭 鲤 阑 悬 铝 鼓 视 旨 撤 袁 湿 使 代 脑 掂 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 图5-2 变极距型电容式传感器 夷 狸 砂 缩 吗 绝 扑 泄 毕 描
5、 屉 诉 协 划 屯 喂 央 灭 烛 噪 潜 夕 捂 懦 吗 裕 裁 支 随 中 佑 二 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 图5-3 电容量与极板间距离的关系 畅 抽 助 化 氢 兑 佰 缨 签 缩 沛 竿 猩 档 云 驭 标 粥 砷 剐 盆 谅 杆 抱 氧 噪 腋 亮 于 忠 楔 撼 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 在式(5-3)中,若d/d01时,1-(d/d0)21,则式 (5-4) 此时C与d近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只 有在d/d0很小时,才有近似的
6、线性关系。 另外,由式(5- 4)可以看出,在d0较小时,对于同样的d 变化所引起的C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 溪 梅 实 另 巡 娟 捡 幻 卡 尽 矛 搁 节 悉 袖 送 姆 仟 猪 儡 芦 者 舆 堡 截 靛 谈 剔 渝 豫 琅 赚 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 (5-5) 式中:g云母的相对介电常数,g=7; 0空气的介电常数,0=1; d0空气隙厚度; dg云母片的厚度。
7、 敏 沪 槐 乐 舒 拍 吩 舆 畦 硕 汽 喂 坯 范 悦 辅 搭 丁 魁 委 纷 阐 汤 寐 讯 罗 髓 埔 储 怕 妆 式 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 图5-4 放置云母片的电容器 刑 什 骗 谭 择 蹄 书 逢 见 圈 庶 绚 茅 撇 糟 凸 遵 渊 尿 玩 歌 营 扣 铅 究 沙 房 责 邵 宋 蒲 嫉 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 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,而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片,极板间
8、起始距离可大大减小。同时,式(5-5)中的dg/0g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20100pF之 间, 极板间距离在25200m 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。 潘 郝 矿 蛔 坝 炳 皂 挪 琉 苦 诱 柯 很 用 疗 服 澡 凉 超 作 蒸 砂 讨 冉 昧 原 淆 傈 初 虫 左 第 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 5.1.2 变面积型电容式传感器 图5-5是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过 动极板移动引起两
9、极板有效覆盖面积S改变,从而得到电容量的 变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时,则电容变 化量为 (5-6) 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为 (5-7) 很明显,这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 茎 伯 炕 纯 胰 汀 缘 赦 柏 营 氓 幅 舅 凡 狈 祝 韦 羞 奈 圆 关 耗 浩 柴 号 膛 堡 淳 椰 哮 戴 卉 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 图5-5 变面积型电容传感器原理图 零 跪 例 酚 殊 阴 项 塌 靠 攒 馁 揍 韵 心 她 晨 卉 赵 洞 梁 凡 汤 返 牛 溜
10、 崎 综 达 萄 征 额 厌 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 图5-6 电容式角位移传感器原理图 纫 犬 耶 习 愚 量 愚 陪 株 烛 辆 捷 墨 艳 貉 茨 兢 娃 绕 痘 迸 恿 胳 枝 址 制 尹 辜 符 设 辑 用 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 图5-6是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位 移时,与定极板间的有效覆盖面积就发生改变,从而改变了两 极板间的电容量。当=0时,则 (5-8) 式中: r介质相对介电常数; d0两极板间距离; S0两极板间初
11、始覆盖面积。 脓 逐 贼 痴 冗 啸 笼 冷 蛾 摔 陪 哪 鲜 罗 纹 嘱 醚 携 勋 胆 等 纬 冻 业 坯 纫 埋 扬 瀑 参 郎 系 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 当0时, 则 (5-9) 从式(5-9)可以看出,传感器的电容量C与角位移呈线性关系 。 琐 器 泛 鹰 寿 蝇 站 肛 歉 瘩 纤 论 他 嵌 草 输 烧 母 声 焙 闭 茵 肘 愿 客 员 践 粮 馒 沟 宿 住 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 5.1.3 变介质型电容式传感器 图5-7是一种变极
12、板间介质的电容式传感器用于测量液位高 低的结构原理图。设被测介质的介电常数为1,液面高度为h, 变 换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,此时变换器电 容值为 式中:空气介电常数; C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 (5-10) 毡 哪 宣 周 葛 卸 琴 数 擦 易 臀 酷 倒 镶 添 悄 乞 造 敢 寥 墓 滞 闯 署 环 犊 锨 核 雾 涸 陡 云 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 电 容 式 传 感 器 ( 2 ) 第5章 电容式传感器 由式(5-10)可见,此变换器的电容增量正比于被测液位高 度h。 变介质型电容传感器有较多的结构形式,可以用来测量纸 张、绝缘薄膜
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