第三章電容式傳感器(已修改)
2025-08-01 05:29 本頁面
【正文】 第 3章 電容式傳感器 第三章 電容式傳感器 第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理和結構 第二節(jié) 誤差的因素及改進措施 第三節(jié) 電容式傳感器的測量電路 第四節(jié) 電容傳感器的應用舉例 第 3章 電容式傳感器 第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理和結構 一、基本工作原理 由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器 ， 其電容量為 ： dAC ??式中 : ε——電容極板間介質的介電常數 ， ε=ε0εr， 其中 ε0 為真空介電常數 ， εr極板間介質的相對介電常數； A——兩平行板所覆蓋的面積； d—— 兩平行板之間的距離。 第 3章 電容式傳感器 當被測參數變化使得上式中的 A、 d或 ε發(fā)生變化時， 電容量 C也隨之變化。如果保持其中兩個參數不變，而僅改變其中一個參數， 就可把該參數的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。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 型三種。 第 3章 電容式傳感器 變極距型電容傳感器 ε和 A為常數，初始極距為 d0時，可知其初始電容量 C0為 00 dAC ?? 若電容器極板間距離由初始值 d0縮小了 Δd，電容量增大了ΔC 20000000111???????? ?????????? ????????????ddddCddCddACCC?A?rd第 3章 電容式傳感器 C? C1? C2O ? d1? d2C? C1? C2O? d1? d2d電容量與極板間距離之間的關系 若 Δd/d01時， 1(Δd/d0)2≈1，則： 000 ddCCC ??? 此時 C與 Δd近似呈線性關系，所以變極距型電容式傳感器往往設計成在 Δd極小范圍內變化。 第 3章 電容式傳感器 由 C0式可以看出，在 d0較小時，對于同樣的 Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但 d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數的材料（云母、 塑料膜等）作介質 , 此時電容 C變?yōu)? ?gdgd0?0000 ???ddACgg ??εg——云母的相對介電常數， εg=7； ε0——空氣的介電常數， ε0=1； d0——空氣隙厚度； dg—— 云母片的厚度。 第 3章 電容式傳感器 云母片的相對介電常數是空氣的 7倍 ， 其擊穿電壓不小于1000 kV/mm， 而空氣僅為 3 kV/mm。 因此有了云母片 ， 極板間起始距離可大大減小 。 同時 ， 上式中的 dg/ε0εg項是恒定值 ， 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善 。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 20~100pF之間 ， 極板間距離在 25~200μm 的范圍內 。 最大位移應小于間距的 1/10， 故在微位移測量中應用最廣 。 第 3章 電容式傳感器 變面積型電容傳感器 bxadA（ 1）直線位移型 被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積 A改變 ， 從而得到電容量的變化 。 當動極板相對于定極板沿長度方向平移 x時 ， 則電容為 ?????? ??????axCdbxaC 1)(0?axCC ???0電容量 C與水平位移 Δx呈線性關系。 第 3章 電容式傳感器 (2) 角位移型 動 極 板?定 極 板當動極板有一個角位移 θ時 ， 與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變 ， 從而改變了兩極板間的電容量 。 當 θ=0時 ， 則 00 dAC ??當 θ≠0時， ?????0001CCdAC ???????? ??電容量 C與角位移 θ呈線性關系。 第 3章 電容式傳感器 變介質型電容式傳感器 lad1?1?2d2CACB(1) 常用變介質型 BA CCC ??11221??ddbaC A ??? ?1211?ddalbC B???2110 ddblC?? ?212121001????????ddlaCCC第 3章 電容式傳感器 (2) 并聯柱面結構 DdHh??1用于測量液位高低。設被測介質的介電常數為 ε 1，液面高度為 h, 變換器總高度為 H，內筒外徑為 d，外筒內徑為 D。 dDnHC120???第 3章 電容式傳感器 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011?????????????????????電容增量正比于被測液位高度 h。 第 3章 電容式傳感器 (3) 并聯平面板結構 ? ??????????????????????????????axCaxdabdbxadxbCCC22102212212111?????????第 3章 電容式傳感器 二、差動式電容傳感器 變面積型差動電容傳感器 （ 1）平面板結構直線位移型 位移 x 4 a 定極板 動極板 2C1C定片長 4a，寬 b 動片長 2a，寬 b 動態(tài)時： dabCCCx ?????0210 ，靜態(tài)時： ? ? ? ?? ? ? ? ??
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