电容式传感器传感器原理及应用

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1、第4章电容式传感器CapacitiveSensors免费免费!!!传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors绪论电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。特点：（1）小功率、高阻抗。（2）小的静电引力和良好的动态特性。（3）本身发热影响小。（4）可进行非接触测量。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。4.1电容式传感器的工作原理和特性4.1.1工作原理及类型电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系

2、原理如图所示。由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为+Srd_可见：在S、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、d、ε三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三大类：(1)极距变化型电容传感器；(2)面积变化型电容传感器；(3)介质变化型电容传感器。4.1.2电容传感器特性分析1.变极距型电容传感器设初始电容为：当间隙d0减小Δd时,则电容量增大ΔC，则：电容的相对变化为：当时，将上式按泰勒级数

3、展开，得：可见，电容C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：电容传感器的静态灵敏度为灵敏度随极板间距的减小而增大如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差：由以上分析可知：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。Cdd0ΔdΔdΔC1ΔC2{{ΔC1>ΔC2如图，极距变化相同值±△d所对应的电容变化量不同非线性随极板间距的减小而增大为了提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响，常采用差动式的电容传感器，其原理结构如图所示。工作时差动

4、电容器总电容变化为：当时，将上式按泰勒级数展开，得：略去非线性高次项，得：变极距差动电容式传感器的灵敏度K′为变极距差动电容传感器的非线性误差′L近似为可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效的改善由于环境影响所造成的误差。2.变面积的电容式传感器（1）用于线位移测量的电容式传感器当动极板移动后,极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为：灵敏度：灵敏度为常数变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响,而圆柱形结

5、构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。其电容计算式为：当重叠长度x变化时，电容量变化为：灵敏度为：可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。（2）用于角位移测量的电容式传感器当动片有一角位移时，两极板间的覆盖面积就改变，从而改变了电容量。当转动角时，当=0时，灵敏度：角位移式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度K为常数。3.变介质型电容式传感器电容式液位传感器结构原理图与等效电路电容式液位传感器图示同轴圆柱形电容器的初始电容为:测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液

6、体，一部分是空气。设C1为液体有效高度hx形成的电容，C2为空气高度（h-hx）形成的电容，则：由于C1和C2为并联，所以总电容为:可见，电容C理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位高度。另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图。设电容器极板面积为S，间隙为a，当有一厚度为d，相对介电常数为r的固体介质通过极板间隙，相当于电容串联，因此电容器的电容值为：（1)若改变固体介质的相对介电常数，则有电容量的相对变化为:其中，，为灵敏度因子，随间隙比d/(a-d)增大为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。而增大；

7、（2）若传感器保持r不变，改变介质厚度，则可用于测量介质厚度变化，此时其中，，为灵敏度因子和非线性因子。（3）若被测介质充满两极板间，则d=a，此时初始电容为，则，,即若可见，与r成线性关系。测量液体介质介电常数的变化即属此情况，如测原油含水率。4.2电容式传感器的特点及设计要点(1)温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起

8、本身发热产生零漂。1.电容式传感器的优点(2)结构简