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1、第三章 电容式传感器 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：1.电容传感器的工作原理 2.影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施 3.电容传感器的输出特性 教学难点：电容传感器的输出特性 教学学时：2 学
2、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：由平板电容公式：dSdSC0r可知：当 d，S 和r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就相当于改变了容抗 XC，从而使输出电压或电流发生变化。d 和 S 的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等的变化；r的变化，则可以反映液面的高度、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r的变介电常数式。三、电容式传感器的特性 1变间隙式电容传感器 dSC0 当被测量的变化引起间距减小了d 时，如d d
3、时，1)(12dd 则)1(00ddCCC 或 ddCC0 说明：1）.电容 C 的相对变化C/C0与输入位移d 之间的关系是非线性的，只有当d d 时，才可认为是近似线性关系。2）.电容式传感器的灵敏度为 20dSdCdCK 增大 S 和减小 d 均可提高传感器的灵敏度。2.变面积式电容传感器 图 3-4 所示为一直线位移型电容式传感器的原理图 axCxdbCCC00 说明：1）电容 C 的相对变化C/C0与直线位移x 呈线性关系 2）测量的灵敏度为 dbaCxCK0 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
4、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 dbnxCK 其中n为齿数 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：00CCCC可见，电容 C 的相对变化C/C0与角位移也呈线性关系。3变介电常数式电容传感器 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：BACCC 而CA与CB与介质的种类和介质厚度和深度都有关系。即：212121001ddaxCCCC 4差动电容传感器 在
5、实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，常常做成差动形式。5电容传感器的性能改善（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 1电容式传感器在实际中主要存在哪些问题？分别采取什么措施加以解决？2如图 3-21 所示正方形平板电容器，极板长度 a=4cm，极板间距离 d=0.2mm。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。