最新中南大学传感与检测ppt-ch5-电容传感器精讲教学讲义ppt.ppt

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1、中南大学传感与检测ppt-ch5-电容传感器精讲5.电容式传感器概述原理：利用电容器将非电量转换成电容量变化。其传感作用的实质是一个可变参数电容器。电容式传感器的特点：①受本身发热影响小②静态引力小③动态响应好④结构简单，适应性强⑤可进行非接触式测量主要不足：①输出阻抗较高、带负载能力差；②寄生电容影响大应用：测量压力、位移、角度、加速度、物位、湿度和成分介质特性等。5.1工作原理与结构类型1）基本工作原理(以平板电容器为例)忽略边缘效应时，金属平板作电极构成的电容器的电容为式中：S—极板相对覆盖面积；—极板间距离；r—相对介电常数；0—真空介电常

2、数，0＝8.85pF/m；—极板间介质的介电常数。上式中，、S和r中的某一项或几项变化可改变C。或S的变化可反映线位移或角位移的变化，也可间接反映压力、加速度等的变化；r变化可反映液面高度、材料厚度等变化。Sδε5.电容式传感器C与被测量为非线性关系，仅当∆/<<1时，略去各非线性项后才得到近似线性关系C＝C0(∆/)。的取值不能大，否则降低灵敏度。因此变极距型只宜工作在一个较小的范围内(1cm至零点几mm)，且∆最大应小于极板间距的1/5～1/10。1）主要性能(2)非线性当变极距型传感器的极距变化时，其电容及其相对变化为

3、:5.3变极距型传感器的性能与改善措施-差动结构5.电容式传感器与前述单一电容传感器的电容相对变化对比可知，差动结构使传感器的非线性得到改善的同时，灵敏度也提高了一倍。2）差动结构型变极距传感器采用图示差动结构形式，取上下两电容之差为输出。5.3变极距型传感器的性能与改善措施-差动结构5.电容式传感器当极板间距和介电常数为常数，而平板电容器的面积为变量的传感器称为变面积式电容传感器。变极板面积型电容传感器有线位移和角位移两种。线位移型电容式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。(1)平面线位移型传感器：如图a所示，其电容量为：5.4变面积型传感器灵敏度

4、为：5.电容式传感器5.4变面积型传感器(2)圆柱型线位移传感器：如上图b所示，电容量为：灵敏度为：(3)角位移型传感器：如图c所示，其电容量为：灵敏度为：变面积型电容传感器的输出与输入呈线性关系，但灵敏度比变极矩型低，适用于测量较大的线、角位移。变面积型电容器常用差动形式，使传感器的输出和灵敏度均可提高一倍。5.电容式传感器该类型大多用来测电介质的厚度、液位及利用极间介质的介电常数随温度、湿度改变测介质材料的温度、湿度等。若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如图，传感器的电容量与被厚度的关系为δx厚度传感器C1C2C3C5.电容式传感器5.5变介电常

5、数型电容传感器式中，为极板间距，0是空气的介电常数，是介质的介电常数，ab是极板的面积。介质的厚度不同或变化，通过传感器的电容量变化来反映。若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为：C1C2C3CC4a、b、lx:定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；x、、0:被测物厚度及其介电常数、空气的介电常数。l平板形lx5.电容式传感器5.5变介电常数型电容传感器若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为液位传感器CC1C2可见，传感器电容C与被测液位高度

6、hx成线性关系。忽略边缘效应时，变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容式传感器有很好的线性，但实际上边缘效应引起极板间电场分布不均匀，导致非线性仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。h2r12r2hx5.电容式传感器5.5变介电常数型电容传感器式中：，例：某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)。解：5.电容式传感器5.5变介电常数型电容传感器5.6传感电容的等效电路与抗干扰问题1

7、）等效电路L-引线电缆电感+电容式传感器本身电感：r-引线电阻+极板电阻+金属支架电阻；C0-传感器的电容；Cp-引线电缆、所接电路及极板与外界所形成的总寄生电容；Rg-极间等效漏电阻，包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗、介质损耗。C0CpRgLrCeReLreCe低频；高频供电电源频率为谐振频率的1/3~1/25.电容式传感器5.6传感电容的等效电路与抗干扰问题2）抗干扰问题(1)高阻抗、小功率电容器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，因电容量很小而使输出阻抗很高。又因为电容器的视在功率P=Uo2C，C很小导致P也

8、很小，使其负载能力差，易受外界干扰影响。电容小，容抗大，要求传感器绝缘部分的阻值