大连职业技术学院：《传感器与检测技术》教材配套PPT教学课件（第二版）第三章 电容式传感器

第三章 电容式传感器 3.1电容式传感器的原理与结构 3.2电容式传感器的测量电路 3.3电容式传感器的应用 ght by Dong CuDon't diffuse!

第三章电容式传感器 》利用电容器的原理,将非电量转换成电容量,进而实 现非电量到电量的转化的器件或装置,称为电容式传 感器,它实质上是一个具有可变参数的电容器。 由于材料、工艺,特别是测量电路及半导体集成技术 等方面已达到了相当高的水平,因此寺生电容的影响 得到较好地解决,使电容式传感器的优点得以充分发 挥 它的优点是测量范固大、灵敏度高、结构简单、适应 性强、动态响应肘间短、易实现非接触测量等。 可以广泛的应用在力、压力、压差、振动、位移、厚 度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之 ht by Dong Chfamtepontdrffuse!

第一节电容式传感器的原理与结构 tht by

第一节电容式传感器的原理与结构 》平板电容器电容量为: C 当被测参数变化使得式中的A,d或ε发生变化肘,电 容量C也随之变化。 基本工作原理: 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。 》电容式传感器 可分为变极距式、变面积式和变介质式三种。 I tht by

一、变极距式电容传感器 1、.变极距式电容式传感暴的工作原狸 原理:仅改变极距一个参数, 》把极距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。 》初始电容量C0为: A E 》若电容器极板间距离由初始值do缩小Δd,电容量增大ΔC E·A E C=Ca+△C= C △d △d △d d(1 传感器的输出特性Cf(d 》不是线性而是双曲线关糸。 d I tht by

1.变极距式电容式传感器的工作原理 在Δd/d0很小时(小于|10时),电容值相对变化量为: C0(1+ △d C0(1+)=C0+△d=C0+△C (△d) d 2 △C≈=0△d 灵敏度为: K. AC C ≈ △dd 》可见,电容的变化ΔC与极板的位移量Δd呈近似线性关糸。 灵敏度是与其初始极距大小和初始电容量相关的近似常数。 tht by

2.变极距式电容式传感器的结构 (丨)差动结构变极距式电容式传感器 |为动片、2为定片, 中间电极若受力向上位移△d则 C丨容量增加,C2容量减小, 》可推导 CA EA △d △C=C,-C 20 △d +△d △d △CC △C≈2=0△d K d 2 △dd 》可见,电容传感器做成差动式后之后, 电容的变化ΔC与极板的位移量Δd仍呈近似线性关糸,线性度稍好 灵敏度提高一倍,仍与其初始极距和初始电容量相关的近似常数。 tht by

2.变极距式电容式传感器的结构 (2)保护环结构变极距式电容式传感器 》为消除极板的边缘效应的影响,可采用图示保护环。 保护环与极板具有同一电位, 〉电极板间的边缘效应移到了保护环与极板2的边缘, 消除极板的边缘效应的影响, 极板l与极板2间的场强分布变得均勺 保护环 极板 极板2 tht by

2.变极距式电容式传感器的结构 (3)高介电常数的变极距式电容式传感器 》在do较小射, C0较大,C0/d0也大,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大, 从而使传感器灵敏度提高 但d过小, Δd/d变大,非线性增加。 0-C 》容易引起电容器击穿或短路。 》采用高介电常数材料作介质,极板间起始距离do可大大减小 变极板间距离电容式传感器的起始电容C0在20~100pF间, 将极板间距离设定在25~200μm的范固内 将最大位移应小于间距的|0, 在微位移测量中应用最广 ht by Dong Chfamtepontdrffuse!

二、变面积式电容式传感器 1、变面积式电容式传慮滁工作原理 原理:仅改变面积一个参数,就可把面积的变化转换为电容 量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。 》分类:根据面积变化方式的不同分为: 平板形变面积式电容式传感器(a) 》旋转形变面积式电容式传感器(b) 圆柱形变面积式电容式传感器(c) 2 变面积型电容传感器 变面积型电容传感器 变面积型电容传感器 1固定极板2动极板 1固定极板2动极板 1固定极板2动极板 I tht by