第三节电容式传感器 电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电 容)之一,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。 优点:测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、 动态响应时间短、易实现非接触测量等。 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,因此寄生电容的影响得到 较好地解决,使电容式传感器的优点得以充分发挥 应用:压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度 和成分含量等测量之中
第三节 电容式传感器 优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、 动态响应时间短、易实现非接触测量等。 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，因此寄生电容的影响得到 较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度 和成分含量等测量之中。 电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电 容)之一，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
一、工作原理与粪型 (一)工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器,当忽略边缘效 应时,其电容C为 8a s S极板相对覆盖面积; δ极板间距离;6,相对介电常数:。」 6o—真空介电常数,co=885pF/m; E一电容极板间介质的介电常数。 6、S和ε,中的某一项或几项有变化时,就改变了电容 Co、δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化,也可 以间接反映压力、加速度等的变化;ε,的变化则可反映 液面高度、材料厚度等的变化
一 、 工作原理与类型 （一）工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效 应时，其电容C为 S—极板相对覆盖面积； δ—极板间距离；εr—相对介电常数； ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m； ε —电容极板间介质的介电常数。 δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容 C0、δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可 以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映 液面高度、材料厚度等的变化。 S δ ε S S C r 0 = =
(二)到 三种基本类型: ●变极距(变间隙)(6)型 ●变面积型(S)型 ●变介电常数(r)型 表5-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式 ●位移:线位移和角位移两种。 ●极板形状:平板或圆板形和圆柱(圆筒)形,虽还有球 面形和锯齿形等其他的形状,但一般很少用,故表中 未列出 其中差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵 敏度高、线性范围宽、稳定性高
（二） 类型 三种基本类型： ⚫变极距(变间隙)(δ)型 ⚫变面积型(S)型 ⚫变介电常数(εr )型 表5-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。 ⚫位移：线位移和角位移两种。 ⚫极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球 面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中 未列出。 其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵 敏度高、线性范围宽、稳定性高
1、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动,极板2为可动电板(动片),当 动片随被测量变化而移动时,使两极板间距变化,从 而使电容量产生变化,其电容变化量△C为 SES△δ △6 △C= 6-△6666-△6 0 6-△ C—极距为时的初始电容量。 该类型电容式传感器 C 存在着原理非线性,所以 实际应用中,为了改善非 线性、提高灵敏度和减小 外界因素(如电源电压、 2 环境温度)的影响,常常 变极距型电容传感器 作成差动式结构或采用适 当的测量电路来改善其非 C-δ特性曲线 线性
1、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当 动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从 而使电容量产生变化 ，其电容变化量ΔC为 δ 2 变极距型电容传感器 1 该类型电容式传感器 存在着原理非线性，所以 实际应用中，为了改善非 线性、提高灵敏度和减小 外界因素(如电源电压、 环境温度)的影响，常常 作成差动式结构或采用适 当的测量电路来改善其非 线性。 C C0 C- 特性曲线 C0—极距为时的初始电容量。 − = − − = − = C0 S S S C
2、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中,平板形结构对极距变化特 别敏感,测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径 向变化的影响很小,成为实际中最常采用的结构,其 中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为 2丌E·l 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度; 圆筒内半径和内圆柱外半径 当两圆筒相对移动Δ时,电容变化量△C为 △C=2丌a 278(-△)2兀 △l (r2/n n(nn In(n2/n) 这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数
2、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特 别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径 向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其 中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为 l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为 ln( / ) 2 2 1 r r l C = l l C r r l r r l l r r l C = = − = − 0 2 1 2 1 2 1 ln( / ) 2 ln( / ) 2 ( ) ln( / ) 2 这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数