《传感器原理与应用》课程电子教案（PPT教学课件）第5章 电容式传感器

第5章电容式传感器 第5章电容式传感器 51电容式传感器的工作原理和结构 52电容式传感器的灵敏度及非线性 5.3电容式传感器的等效电路 54电容式传感器的测量电路 5.5电容式传感器的应用 BACK

第5章 电容式传感器 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 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 5.3 电容式传感器的等效电路 5.4 电容式传感器的测量电路 5.5 电容式传感器的应用

第5章电容式传感器 51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 d 应,其电容量为 (5-1) 8-极板间介质的介电常数,E=anp E0—为真空介电常数, E,极板间介质的相对介电常数; S-两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离

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 d S C  = （5-1） ε—极板间介质的介电常数，ε=ε0 εr， ε0—为真空介电常数， εr—极板间介质的相对介电常数； S— 两平行板所覆盖的面积； d—两平行板之间的距离

第5章电容式传感器 工作原理:当被测参数变化→S、d或ε发 生变化时→C随之变化。当保持参数中两个 不变,一个变→转换为电容量的变化→通过 测量电路就可转换为电量输出 /c &s d

第5章 电容式传感器 工作原理:当被测参数变化→ S、 d或ε发 生变化时→C随之变化。当保持参数中两个 不变，一个变→ 转换为电容量的变化→通过 测量电路就可转换为电量输出。 d S C  =

第5章电容式传感器 分类:分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种 图5-1所示为常用电容器的结构形式。图(b)、(c)、(d) (f)、(g)和(h)为变面积型,图(a)和(e)为变极距型,而 图(i)()则为变介电常数型 (d) () 图5-1电容式传感元件的各种结构形式

第5章 电容式传感器 分类:分为变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。 图5-1所示为常用电容器的结构形式。图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型，图(a)和(e)为变极距型， 而 图(i)～(l)则为变介电常数型。   1  2 (a) (b) (c) ( d ) ( e ) ( f ) (g) (h) (i) ( j ) ( k) ( l ) 图5-1 电容式传感元件的各种结构形式

51变极距型电容传感器 图5-2为原理图。当传感器的e 和S为常数,初始极距为d时,由式 (5-1)可知其初始电容量C0为 (5-2) 若极板间距离由d C1+ 缩M电容量增大了C=C+△C=-6S △C,则有 d-△d △d (5-3) 图5-2变极距型电容式传感器

5.1.1 第5章 电容式传感器 图 5-2为原理图。当传感器的εr 和S为常数，初始极距为d0时，由式 （5-1）可知其初始电容量C0为 0 0 0 d S C r   = （5-2 若极板间距离由d0 缩Δd，电容量增大了 ΔC 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1          −          + =  − = −  = +  = d d d d C d d C d d S C C C r   （5-3 A  r d 图5-2 变极距型电容式传感器

第5章电容式传感器 传感器的输出特性一非线性关系 △C △C,≮: △d 图5-3电容量与极板间距离的关系

第5章 电容式传感器 图5-3 电容量与极板间距离的关系 C  C1  C2 O  d 1  d 2 C  C1  C2 O  d 1  d 2 d 传感器的输出特性—非线性关系

第5章电容式传感器 1+ C=C+△C= 0 (5-3) d-△e △d △d 0 式(5-3)中若△ad<时,1-(△dld)2≈1,则式 △d C= Ca+c 0 (5-4 →C~M近似呈线性关系→变极距 型电容式传感器只有在1d很小时 才有近似的线性关系

第5章 电容式传感器 式（5-3）中若Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0 ) 2≈1，则式 0 0 0 d d C C C  = + （5-4） C～Δd近似呈线性关系→变极距 型电容式传感器只有在Δd/d0很小时， 才有近似的线性关系。 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1          −          + =  − = −  = +  = d d d d C d d C d d S C C C r   （5-3）

第5章电容式传感器 当0较小→对于同样的A变化→引起的AC可以增大→传 感器灵敏度提高。但过小→容易引起电容器击穿或短路→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5-4所示,此时电容C变为 S C (5-5) 8 0 0 Ea云母的相对介电常数2=7; 60—空气的介电常数, d—空气隙厚度; d,—云母片的厚度。 图5-4放置云母片的电容器

第5章 电容式传感器 0 0 0    d d S C g g + = （5-5 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。 当d0较小→对于同样的Δd变化→引起的ΔC可以增大→传 感器灵敏度提高。但d0过小→容易引起电容器击穿或短路→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 5-4 所示，此时电容C变为 图5-4 放置云母片的电容器  g d g d 0  0

第5章电容式传感器 云母片的eg=70,其击穿电压≥1000kV/m,而空气 仅为3kV/mm→因此有了云母片,极板间起始距离可 大大减小。 式(5-5)中dge0g=C.→使传感器的输出特性的线性 度得到改善 般起始电容C=20~100p,极板间距离 d=25-200m。最大位移应<1/10d→广泛应用于微位 移测量

第5章 电容式传感器 云母片的εg=7ε0，其击穿电压≥1000 kV/mm，而空气 仅为3 kV/mm→因此有了云母片，极板间起始距离可 大大减小。 式（5-5）中dg/ε0εg=C. → 使传感器的输出特性的线性 度得到改善 一般起始电容C=20~100pF，极板间距离 d=25~200μm 。最大位移应＜1/10d→广泛应用于微位 移测量

第5章电容式传感器 512变面积型电容式传感器 图5-5原理结构示意图。被测量通过动极板移动→引起两极板有效覆 盖面积S改变→从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向 平移Ax时,则电容变化量为 △C=C Eoc (a-Ax)b cos, ab so6, bAx (56) 式中C0=aba/为初始电容。 电容相对变化量为 △C△x (5 a 电容量C~水平位移Ax呈线性关系。 图5变面积型电容传感器原理图

第5章 电容式传感器 5.1.2 图5-5原理结构示意图。 被测量通过动极板移动→引起两极板有效覆 盖面积S改变→从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向 平移Δx时，则电容变化量为 ( ) 0 0 r 0 0 r r C C C a x b ab b x d d d        = − −   = − = − (5-6) 式中C0=ε0 εr ba/d为初始电容。 a x C C  =  0 (5-7) 电容量C～水平位移Δx呈线性关系。 图5-5 变面积型电容传感器原理图 b  x a d x S