铁道车辆传感器技术-电容式传感器

项目一传感器技术

任务4电容式传感器电容式传感器结构和工作原理1.2电容式传感器概述010203电容式传感器的输出特性04电容式传感器的应用一、电容式传感器概述电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。

结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。SS1151型电容式传感器(δ室)

简介：工作原理

过程压力通过两侧或一侧的隔离膜片、灌充液传至δ室的中心测量膜片。中心膜片是一个张紧的弹性元件，它对于作用在其上的两侧压力差产生相应变形位移，其位移与差压成正比，最大位移0.1mm，这种位移转变为电容极板上形成的差动电容，由电子线路把差动电容转换成二线制的4~20mA

DC输出信号。如左图所示：电容式传感器的优点：1、结构简单，体积小，分辨率高。2、可实现非接触测量。3、动态响应好。4、温度稳定性好，本身发热极小。5、能在高温辐射和强振动等恶劣环境下工作。缺点：1、电容量小（一般为几十到几百微法）。2、功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰，产生不稳定现象。几种形式的电容式传感器二、电容式传感器的结构和工作原理根据电容公式：－－两极板间介质的介电常数，－－为真空介电常数，－－介质相对介电常数，对于空气介质而言，－－两平行板之间的距离。d当被测参数d、S、εr发生变化时，相应的电容发生变化，如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数时，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。故电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质（变介电常数）型三种。固定

，变

极距变化型

固定

，变A

面积变化型

固定

，变

介质变化型1、变极距型传感器变极距型电容传感器原理图

若电容动极板因被测量变化而向上移动时，则极板间距变为，电容量为：

若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有

C=C0+ΔC=由上式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是双曲线关系。

当变极距型电容式传感器在Δd/d0很小时,才有近似的线性输出，此时C与Δd近似呈线性关系。2、变面积型传感器原理：通过改变两个极板相互遮盖的面积的大小，来得到电容的变化的。特点：电容量变化范围大，适合测量较大的线位移和角位移。b

这种形式的传感器其灵敏度为常数，即其输入与输出呈线性关系。

右图为电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时,与定极板间的有效覆盖面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。动极板定极板当θ=0时,则C0=ε0εrS0/d0

式中:εr——介质相对介电常数;d0——两极板间距离;S0——两极板间初始覆盖面积。当θ≠0时,则从上式可以看出,传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。3、变介质型传感器这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。下图为原理结构。图中两平行极板固定不动，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。

若电介质ｌ为空气(εr1＝1)，当ｌ＝0时传感器的初始电容；当介质2进入极间ｌ后引起电容的相对变化为

可见，电容的变化与电介质2的移动量ｌ成线型关系。上述原理可用于非导电散材物料的物位测量。将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。由上式可知，测出的电容量即反映灌装高度ｌ。下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,则此时变换器电容值为

式中：ε——空气介电常数;C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,C0=由上式可见,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。三、电容式传感器的特性由以上分析可知,除变极距型电容传感器外,其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的,故只讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。由公式可知,电容的相对变化量为当，则上式可按级数展开，故得输出电容的相对变化量ΔC/C与输入位移Δd之间呈非线性关系。当Δd/d0

远小于1时，可略去高次项,得到近似的线性：电容传感器的灵敏度为它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。其灵敏度与初始极距成反比，故可通过减小初始极距来提高灵敏度。初始极间距的减小可提高灵敏度，但过小会引起电容击穿或短路。故可在极板间采用高介电常数的材料，如云母、塑料膜等作为介质。云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。可以看出:要提高灵敏度,应减小起始间隙d0,但非线性误差却随着d0的减小而增大。在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性误差,大都采用差动式结构。下页图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。

在差动式平板电容器中,当动极板位移Δd时,电容器C1的间隙d1变为d0-Δd,电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则C1=C0

在Δd/d0《1时,