第三章 电容式传感器

1、第三章 电容式传感器本章主要内容：电容式传感器广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，且逐步应用于压力、压差、液面等方面的测量。本章着重介绍电容式传感器的结构原理及结构形式，讨论电容式传感器的测量电路、影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施。要求初步掌握电容式传感器的原理及应用第一讲 电容式传感器的工作原理和结构教学目的要求：掌握变间隙式、变面积式及变介电常数式三种电容传感器的工作原理，结构类型及工作原理基本应用；教学重点：1.电容传感器的工作原理 2. 影响电容式传感器精度的因素及提高精度的措施3. 电容传感器的输出特性教学难点：电容传感器的输出特性教学学时：2学时教学内容

2、：一、 电容传感器的工作原理及输出特性工作原理：由平板电容公式：可知：当d，S和中的某一项或某几项有变化时，就改变了电容C。在交流工作时，改变C就相当于改变了容抗XC，从而使输出电压或电流发生变化。d和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等的变化；的变化，则可以反映液面的高度、材料的温度等的变化。二、电容式传感器的结构形式结构类型：改变极板距离d的变间隙式，改变极板面积S的变面积式，改变介电常数的变介电常数式。三、 电容式传感器的特性1变间隙式电容传感器当被测量的变化引起间距减小了d时，如d <<d时，则 或说明：1）. 电容C的相对变化C/C0与输入位移

3、d之间的关系是非线性的，只有当d <<d时，才可认为是近似线性关系。2）. 电容式传感器的灵敏度为 增大S和减小d均可提高传感器的灵敏度。 2. 变面积式电容传感器图3-4所示为一直线位移型电容式传感器的原理图 说明：1） 电容C的相对变化C/C0与直线位移x呈线性关系2） 测量的灵敏度为减小两极板间的距离d，或增大极板的边长b可提高传感器的灵敏度，但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b则受到传感器体积的限制。需要说明的是，位移x不能太大，极板的另一边长a不宜过小，否则会因边缘电场影响的增加而影响线性特性。3） 齿形极板的电容式线性位移传感器可有效提高灵敏度 灵敏度为 其中为

4、齿数4） 变面积传感器可测量角位移的变化图3-5所示为一角位移型电容式传感器的原理图则：可见，电容C的相对变化C/C0与角位移也呈线性关系。3变介电常数式电容传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化如图：而CA与CB与介质的种类和介质厚度和深度都有关系。即：4差动电容传感器在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，常常做成差动形式。5电容传感器的性能改善（1）静电击穿问题应对办法：为防止击穿，通常在两极板间再附加一层云母或塑料薄片（2）边缘效应应对办法：增设防护电极，如图3-8（3）寄生电容。产生原因；电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括

5、仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。应对办法：对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地（驱动电缆技术）驱动电缆技术：这一技术的基本思路是将电极引出线进行内外双层屏蔽，使内层屏蔽与引出线的电位相同，从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电，而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。（4）温度误差应对办法：选择合适的电极材料或在测量电路中加以补偿本讲小结本讲主要讲述电容传感器原理、类型及输出特性，可以看出：变间隙式电容传感器一般适合测量微小位移和微小振动，而变面积式则可测量位移范围要大一些，而且线形度也好一些。作业1电容式传感器在实际中主要存在哪些问题？分别采取什么措施加以解决？