电容传感器课件

4.5电容传感器4.6压电传感器,潘炳伟15721819,电容传感器定义：是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。实际上它本身（或和被测物体）就是一个可变电容器。,4.5电容传感器,4.5.1工作原理及分类,由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为,式中：0真空的介电常数,；极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1；A极板的覆盖面积，m；两平行极板间的距离，m。,当被测量、A或发生变化时，都会引起电容C的变化。如果保持其中的两个参数不变，仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号的输出。,(1)工作原理,根据电容器参数变化的特征，电容式传感器可分为3种：极距变化型、面积变化型和介质变化型，其中极距变化型和面积变化型应用较广。,（2）电容传感器分类,极距变化型电容传感器,在电容器中，如果两极板相互覆盖面积及极板间介质不变，则电容量C与极距呈非线性关系，如图4.18所示。,当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为,由此可得传感器的灵敏度,由上式可看出，灵敏度S与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。,一般通过减小初始极距提高灵敏度。由于电容量C与极距呈非线性关系，所以会引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围0。一般取极距变化范围/00.1，此时，传感器的灵敏度近似为常数。实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容传感器。,极距变化型电容传感器.,面积变化型电容传感器,工作原理：在被测参数的作用下变化极板的有效面积。分类：角位移型、线位移型；单边式、差动式。,图4.19是变面积型电容传感器的结构示意图，a、b、c、为单边式D为差动式。图中1位固定板，2为可动极板。,图4.19a为平面线位移型电容传感器，当宽度为b的动版沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容为,其灵敏度为,常数,由上式可以得出，输入量与输出量C为线性关系,图4.19b所示为角位移型。当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为，极板半径为r时，覆盖面积为,电容为,常数,其灵敏度为,由于平板型传感器的可动极板沿极距方向移动会影响测量精度，因此一般情况下，变截面积型电容传感器常做成圆柱形，如图4.19c、d所示。圆筒形电容器的电容为,式中：x外圆筒与内圆通覆盖部分长度，m；r1、r2筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径，m。,面积变化型电容传感器的优点是输出与输入呈线性关系，但与极距变化型相比灵敏度较低，适应于较大角位移及直线位移的测量。,常数,当覆盖长度x变化时，电容量变化，其灵敏度为,介电常数变化型电容传感器,结构原理图：,用途：测量电解质的厚度（a）、位移（b）、液位（c），根据极板间介质的常数介电常数随温度、湿度、容量改变而改变测量的温度、湿度、容量（d）等。,若忽略边缘效应，图4.20a、b、c所示传感器的电容量与被测量的关系为：,式中：、h、0两固定极板间的距离、极板高度及间隙中空气的介电常数；x、hx、被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；l、b、ax固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）；r1、r2内、外极筒的工作半径。,上述测量方法中，若电极间存在导电介质时，电极表面应涂覆绝缘层，防止电极间短路。,2.特点与应用,（1）主要优点,1）输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置，可以测量很小的力和震动加速度，并且很灵敏。2）电参量相对变化大。电容式压力传感器电容的相对变化C/C100%，有的甚至可以达到200%，这说明传感器的信噪比较大，稳定性好。3）动态特性好。电容传感器活动零件少，而且质量很小本身具有很高的自振频率，加之供给电源的载波频率很高，因此电容式传感器可用于动态参数的测量。,4）能量损耗小。电容式传感器的工作是变化极板的间距或面积，而电容变化并不产生热量。5）结构简单，适应性好。电容传感器主要结构是两块金属极板和绝缘层，结构很简单，在震动、辐射环境下仍能可靠工作，如采用冷却措施，还可以在高温条件下使用。6）纳米测量技术应用。电容式传感器可以实现非接触测量，以极板间的电场力代替了测量头与被测件的表面接触，测量灵敏度高，使其在纳米领域得到了广泛应用。,（2）主要缺点,1）非线性大。极距变化型电容传感器电容量C与极距呈非线性关系，利用测量电路(图4.21）把电容变化转换成电压变化也是非线性的。因此，输出与输入之间的关系也是非线性的。采用差动式结构可以适当改善非线性，但不能完全消除。当采用如图4.22所示的比例运算放大器电路时，可以得到输出电压与位移量的线性关系。,显然，输出电压uy与电容传感器间隙呈线性关系。这种电路常用于位移测量传感器。,所以,输出电压,（2）电缆分布电容影响大。传感器两极板之间的电容很小，而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，这仅使传感器的电容相对变化大大降低灵敏度也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，是输出不真实，给测量带来误差。,解决办法有两种：一种方法是利用集成电路，使放大测量电路小型化，把它放在传感器内部，这样传输导线输出是电压信号，不受分布电容的影响；另一种方法是采用双屏蔽传输电缆，适当降低分布电容的影响。,由于电缆分布电容对传感器的影响，使电容式传感器的应用受到一定的限制。,3.电容传感器应用举例,（1）电容测厚传感器图4.23为测量金属带材在轧制过程中厚度的电容式测厚仪工作原理。工作极板与带材之间形成两个电容，即C1C2，其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。,（2）电容转速传感器电容式转速传感器的工作原理如图4.24所示，图中齿轮外沿面为电容器的动极板，当电容器定极板与齿顶相对时，电容量最大，而与