[工學(xué)]4、電容式傳感器(已修改)
2025-01-31 10:45 本頁面
【正文】 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 第四章 電容式傳感器 第四章 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量的測(cè)量裝置。它的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)的參數(shù)之間的關(guān)系。 167。 41 電容式傳感器的工作原理 工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量 實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器 應(yīng)用范圍 :位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 第四章 電容式傳感器 兩平行極板組成的電容器 ,當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，它的電容量為 : + + + δ S ? 當(dāng)被測(cè)量 δ、 S或 ε發(fā)生變化時(shí) ， 都會(huì)引起電容的變化 。 如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變 ， 而僅改變另一個(gè)參數(shù) ， 就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化 。 0 r SSC ?????????哈爾濱工業(yè)大學(xué) ? 分類示意圖 c) 介質(zhì)變化型 b)面積變化型 :角位移型 ,平面線位移型 ,柱面線位移型 . + + + + + + 第四章 電容式傳感器 a) 極距變化型 。 + + + 0 r SSC ?????????哈爾濱工業(yè)大學(xué) δ ε S 動(dòng)極板 定極板 若極板間距減小 △ δ，則電容將增大 △ C。 0 0 0( 1 ) ( )ssC C C C C? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?第四章 電容式傳感器 一、變極板間距型電容傳感器 定義：靜態(tài)靈敏度 gCk????0 11C? ? ????哈爾濱工業(yè)大學(xué) 當(dāng) 時(shí) 第四章 電容式傳感器 時(shí)，展開為級(jí)數(shù)形式 1??? ，忽略高次項(xiàng) 1??? 上式表明，在 條件下，電容的變化與極板間距變化量近似是線性關(guān)系。 ????0CC?????230 1gCCk ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ???哈爾濱工業(yè)大學(xué) 第四章 電容式傳感器 ① 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙 δ，但受電容器擊 穿電壓的限制； ② 非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一 定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。 ③為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。 0 . 0 2 ~ 0 . 1? ?? ?δ δ C1 C2 動(dòng)極板上移 Δδ ，則 C1增大，C2減小，差動(dòng)電容器輸出： 12C C C? ? ? 差動(dòng)式變極距的電容傳感器靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 第四章 電容式傳感器 二、變面積型電容傳感器 b a δ Δx 平面線位移型： 設(shè)兩矩形極板間覆蓋面積為 S，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng) △ X，則面積 S發(fā)生變化，電容量也改變。 0.( ) .b a x bC C x??????? ? ? ?0bC C C x??? ? ? ? ? ? ?靈敏度： （主要用來測(cè)直線位移、角位移和尺寸等參數(shù)） 0()gCCbkxa???? ? ? ??哈爾濱工業(yè)大學(xué) 第四章 電容式傳感器 平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)。 圓柱形線位移型電容器的電容量為： 2r1rl212l n ( )lCrr???當(dāng)兩筒相對(duì)移動(dòng) 時(shí)，電容的變化量： l?02 1 2 1 2 12 2 ( ) 2l n ( / ) l n ( / ) l n ( / )l l l l lCCr r r r r r l? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?靈敏度： 0gCCkll????哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可見變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。 ① 增大初始電容 C0可以提高傳感器的靈敏度； ② 極板寬度 b的大小不影響靈敏度，但不能太 小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大； ③ △ X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器 特性產(chǎn)生非線性變化。 （因?yàn)橐陨系耐茖?dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行的）。 第四章 電容式傳感器 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 第四章 電容式傳感器 三、變介電常數(shù)型電容傳感器 （主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等） hx h 2r1 2r2 ε0 ε1 類型 1： 被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。 ε1－液體介質(zhì)介電常數(shù)； ε0－空氣中介電常數(shù)（ F/m）； h－電極板總長(zhǎng)度（ m）； r1－內(nèi)電極板外徑（ m）； r2
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