电容式传感器的工作原理和结构

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 电容式传感器的测量电路
5.4 电容式传感器的应用
第5章电容式传感器
返回主目录
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
式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε0·εr, 其中ε0为真空介电常数, εr为极板间介质相对介电常数;
A——两平行板所覆盖的面积; 
d——两平行板之间的距离.
当被测参数变化使得式(5 - 1)中的A#,d或ε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,变面积型和变介质型三种类型. 
一, 变极距型电容传感器
图 5 - 1 为变极距型电容式传感器的原理图.当传感器的εr和A为常数, 初始极距为d0时, 由式(5 - 1)可知其初始电容量C0为
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有
C1=C0+ΔC=
由式(5 - 3)可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是如图 5- 2 所示双曲线关系.
此时C1与Δd近似呈线性关系, 所以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. 
另外, 由式(5 - 4)可以看出, 在d0较小时, 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- 3所示), 此时电容C变为
(5 - 5)
式中: εg——云母的相对介电常数, εg= 7; 
ε0——空气的介电常数, ε0= 1;
d0——空气隙厚度; 
dg——云母片的厚度.
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, 而空气的仅为3kV/mm. 因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小.同时, 式(5-5)中的(dg/ε0εg)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 20～100pF之间, 极板间距离在25～200μm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.
二, 变面积型电容式传感器
图 5 - 4 是变面积型电容传感器原理结构示意图.
图5-4 变面积型电容传感器原理图
C=C0- C=
式中C0=ε0εrb0L0/d0为初始电容.电容相对变化量为

很明显, 这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx是线性关系.
图 5 - 5 是电容式角位移传感器原理图.当动极板有一个角位移θ时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变, 从而改变了两极板间的电容量.当θ=0 时, 则

图5-5 电容式角位移传感器原理图
C0=ε0εrA0d0 (5 - 8)
式中: εr——介质相对介电常数; 
d0——两极板间距离; 

下一页

文档基本属性
文档语言：
文档格式：	ppt
文档作者：	kj3
关键词：
主题：
备注：
点击这里显示更多文档属性
经理：
单位：	xdup
分类：
创建时间：
上次保存者：	马武装
修订次数：	45
编辑时间：
文档创建者：
修订：
加密标识：
幻灯片：	49
段落数：	151
字节数：	381744
备注：	0
演示格式：	屏幕显示
上次保存时间：