1、1同學(xué)們好！同學(xué)們好！香港 迪士尼 噴泉23R1R2 R445678910111213電子天平電子天平141516171819202122 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。 2324 25材料應(yīng)變的測(cè)量材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試?yán)K應(yīng)變測(cè)試 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1傳感器的工作原理及類型傳感器的工作原理及類型4.2電容傳感器的靈敏度及非線性電容傳感器的靈敏度及非線性4.3電容

2、傳感器的特性等效電路電容傳感器的特性等效電路4.4電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路4.6電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例27 4.1 電容式傳感器的工作原理及類型電容式傳感器的工作原理及類型 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應(yīng), 其電容量為dSc式中: 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù), =0r, 其中0為真空介電常數(shù), r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù); S兩平行板所覆蓋的面積; d兩平行板之間的距離。 28 由上式可知，改變電容C的方法有三種，其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)；其二為改變形成電容的有效面積；其

3、三為改變兩個(gè)極板間的距離。而得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量C，這就成了電容式傳感器。 根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三種基本類型，即變極距(或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。29 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的S, d或發(fā)生變化時(shí), 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變, 而僅改變其中一個(gè)參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化, 通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此, 電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種類型。 一、一、 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 圖 4 - 1 為變極距型電容式傳感器的原理圖。

4、當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù), 初始極距為d0時(shí), 由式可知其初始電容量C0為000dScr30圖4-1 變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理31 若電容器極板間距離縮小d, 電容量增大C, 則有 由式可知, 傳感器的輸出特性C =f(d)不是線性關(guān)系。 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系, 所以變極距型電容式傳感器只有在d/d很小時(shí), 才有近似的線性輸出。 dddCddddSdSddSC032 另外, 由式可以看出, 在d較小時(shí), 對(duì)于同樣的d變化所引起的C可以增大, 從而使傳感器靈敏度提高。但d過小, 容易引起電容器擊穿或短路。 云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍, 其擊穿電壓不小于1000 kV/mm, 而空氣的僅

5、為3kV/mm。 因此有了云母片, 極板間起始距離可大大減小。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內(nèi), 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。 為了改善非線性、提高靈敏度和減少外界的影響，電容器常常做成差分形式，如圖4-1（C）。33SScc0 很明顯, 這種形式的傳感器其電容量 C與S是線性關(guān)系。 若電容器遮蓋面積由S變?yōu)镾， 電容量增大C, 則有 dSdSSdSdSC)( 二、二、 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 圖 4-2 是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。34圖4-2 變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理

6、圖353610002DDlnLC LxCDDlnxLC1201001D1D0LxL CC0 x 37 三、三、 變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器 圖 4 - 3 是一種變介電常數(shù)型電容式傳感器 厚度（a）、位移（b）、液位液量（c） 如圖4-3（c）設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為, 空氣介電常數(shù)為0，液面高度為hx, 極筒高度為h, 內(nèi)筒外徑為r2, 外筒內(nèi)徑為r1, 則此時(shí)電容值為 120120ln)(2ln2rrhrrhCr38圖4-3 變介電常數(shù)型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖39 12002r/rlnhC 12002r/rlnhC 1212r/rlnhCx 12022r/rlnhhCx 40

7、 RRF /ln2/ln2/ln2/ln2000012012012012xxxxhhCCrrhrrhrrhhrrhC hhCCx000 12002r/rlnhC 414.2 電容傳感器的靈敏度及非線性電容傳感器的靈敏度及非線性 這里我們先討論變極距型的平板電容傳感器的靈敏度。假設(shè)這里我們先討論變極距型的平板電容傳感器的靈敏度。假設(shè)極板間只有一種介質(zhì)，如圖極板間只有一種介質(zhì)，如圖4-1情況。情況。 對(duì)單極式電容表達(dá)式為：對(duì)單極式電容表達(dá)式為： 其初始電容值為：其初始電容值為： 當(dāng)極板距離有一個(gè)增量當(dāng)極板距離有一個(gè)增量d時(shí)，則傳感器電容為：時(shí)，則傳感器電容為： dsC00dsCCCddsC 00)( 42 可求得：可求得： .)()(1)()1 ()()(3020000102000000ddddddddCddddSddddSdSddSCCC43 靈敏度靈敏度k為為 只有比值d/d0 很小時(shí)才可認(rèn)為是接近線性關(guān)系，這就意味著使用這種形式傳感器時(shí)，被測(cè)量范圍不應(yīng)太大。 3200001dddddddCdCk44 為在比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感器，可適當(dāng)?shù)脑龃髽O板間的初始距離 d0 ，以保證比值d/d0不致過大，但會(huì)帶來靈敏度下降的缺點(diǎn)，同時(shí)也使電容傳感器的初始值減小，