《传感器技术4-电容式传感器-中英对照.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器技术4-电容式传感器-中英对照.（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 电容式传感器 Capacitance Type Sensors 应用中存在的问题及其改进措施 Existing problems and improvements 1.2 第4章 电容式传感器 工作原理、结构和特性 Principle, structure and characteristics 4.1 4.2 测量电路 Measurement circuits 4.3 电容式传感器及其应用 Capacitance sensors and applications 4.4 电容式传感器(capacitance type sensors)是将 被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传 感
2、器。结构简单、分辨力高(high resolution)、 可非接触测量(contactless measurement)，并 能在高温、辐射(radiation)和强烈振动(strong vibration)等恶劣条件下工作，这是它的独特优 点。随着集成电路(IC-Integrated Circuit)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。 第4章 电容式传感器 由绝缘介质(insulation medium)分开的两个平行金属板组成的 平板电容器(plate capacitor)，当忽略边缘效应(edge effect)影 响时，其电容量(capacit
3、ance)与真空介电常数(permittivity of vacuum)0 (8.8541012F/m)、极板间介质的相对介电常 数(relative permittivity)r、极板的有效面积A以及两极板间的 距离有关： 若被测量的变化使式中、A、r三个参量中任意一个发生变 化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为 电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型(variable electrode distance)、变面积型(variable area)和变介质型 (variable medium)三种类型 。 第一节节 工作原理、结结构和特性 C=0rA/ 4.1 工作原理、
4、结构及特性 (4-1) 图4-1为这种传感器的原理图。当传感器的r和A为常数，初 始极距为0 ，由式(4-1)可知其初始电容量C0为 (4-2) 4.1.1 变极距型电容传感器 图4.1 变极距型电容传感器原理图 4.1 工作原理、结构及特性 当动极端板因被测量变化而向上移动使0减小0时，电容量 增大C则有 可见，传感器输出特性Cf()是非线性的，如图4-2所示。电 容相对变化量为 如果满足条件(0/0)1，式(4-4)可按级数展开(series expansion)成 (4-3) (4-4) (4-5) 4.1 工作原理、结构及特性 略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S 分别为
5、 和 如果考虑式(4-5)中的线性项(linear term)及二次项 (quadratic term)，则 (4-6) (4-7) (4-8) 4.1 工作原理、结构及特性 式(4-6)的特性如图4.3中的直线1，而式(4-8)的特性如 曲线2。因此，以式4-6作为传感器的特性使用时，其相 对非线性误差(error of nonlinearity) ef为 4.1 工作原理、结构及特性 由上讨论可知： (1)变极距型电容传感器只有在|0/0| 很小(小测量范围 )时，才有近似的线性输出； (2)灵敏度S与初始极距0的平方成反比，故可用减少0的办 法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取
6、0 0.10.2mm，C0在20100pF之间。由于变极距型的分辨力 极高，可测小至0.01m的线位移，故在微位移(micro displacement)检测中应用最广。 (4-9) 4.1 工作原理、结构及特性 由式(4-9)可见, 0的减小会导致非线性误差增大；0过小 还可能引起电容器击穿(break down)或短路(short circuit) 。为此，极板间可采用高介电常数(permittivity)的材料(云 母(Mica)、塑料膜(plastic film)等)作介质，如图4.4所示。 设两种介质的相对介电质常数为r1 (空气：r11)、 r2，相应的介质厚度为1、2，则有 4.
7、1 工作原理、结构及特性 (4-10) 图4.5所示为差动结构(differential structure)，动极板置于两定 极板(fixed electrode plate)之间。初始位置(initial position)时， 120，两边初始电容(initial capacitance)相等。当动 极板(movable plate)向上有位移时，两边极距为10- ，2 0+； 两组电容一增一减。同差动式自感传 感器的同样分析方法，由式(4-4)和式(4-5)可得电容总的相对 变化量为 (4-11) 4.1 工作原理、结构及特性 略去高次项(higher order terms)，可得近
8、似的线性关系 (4-12) 相对非线性误差ef为 (4-13) 上式与式(4-6)及式(4-9)相比可知，差动式比单极式灵敏 度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对 称性(symmetry of structure)，它还能有效地补偿温度变 化所造成的误差。 4.1 工作原理、结构及特性 原理结构如图4.6所示。它与变极距型不同 的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有 效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动 极板相对定极板沿长度0方向平移时，则 电容为 4.1.2.变面积型电容传感器 (4-14) 4.1 工作原理、结构及特性 式中 为初始电容。电容的相对 变化量为 (4-15
9、) 4.1 工作原理、结构及特性 很明显，这种传感器的输出特性呈线性。因 而其量程不受线性范围(range of linearity)的 限制，适合于测量较大的直线位移和角位移 。它的灵敏度为 必须指出，上述讨论只在初始极距0精确保 持不变时成立，否则将导致测量误差。为减 小这种影响，可以使用图4-6(b)所示中间极 移动的结构。 (4-16) 4.1 工作原理、结构及特性 图4-7 变面积型差动式结构 (a)扇形平板结构；(b)柱面板结构 4.1 工作原理、结构及特性 变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因 此，在实际应用中，也采用差动式结构(differential struc
10、ture)，以提高灵敏度。角位移(angular displacement) 测量用的差动式典型(typical)结构如图4-7所示。图中：A、 B为同一平(柱)面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板 。动极板C平行于A、B，并在自身平(柱)面内绕O点摆动。 从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C 的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。 对图(a)有 (4-17) 4.1 工作原理、结构及特性 对图(b)有 上两式中 初始位置时一组极板 相互覆盖有效面积所包的角度(或所对的圆 心角)；0、r同前。 当动极板C随角位移()输入而摆动时 两组电容值一增一减，差动输出。 (4-1
11、8) 4.1 工作原理、结构及特性 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(insulation film)等的厚度，也可用来测量粮食 (food)、纺织品(textile)、木材(wood)或煤(coal)等非导电 固体物质(non conducting solid material)的湿度(humidity) 。 图4-8为原理结构。图(a)中两平行极板固定不动，极距为 0，相对介电常数为r2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。由式(4-1) (4-19) 4.1.3变介质型电容传感器
12、4.1 工作原理、结构及特性 图4.8 变介质型电容传感器 (a)电介质插入式；(b)非导电流散材料物位的电容测量 式中0、b0极板长度和宽度； 第二种电介质进入极间的长度 4.1 工作原理、结构及特性 若电介质(dielectric)1为空气(r11)，当0时传感器的初 始电容为： 当介质2进入极间后引起电容的相对变化为 可见，电容的变化与电介质2的移动量成线型关系。 上述原理可用于非导电(non-conducting)散材物料(loose material)的物位测量。如图(b)所示，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。由式(4-20) 可知，测出的电容量即
13、反映灌装高度(filling height)。 (4-20) 4.1 工作原理、结构及特性 1.优点(pros)： . 温度稳定性好(good temperature stability) 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关 ，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热 极小，影响稳定性甚微。 而电阻传感器有铜损 (copper lose)等，易发热产生零漂(zero drifting) 。 第二节节 应应用中存在的问题问题 及其改进进措施 特点 4.2 问题及改进措施 .结构简单(simple structure) 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度， 可以做得非常小巧，以实
14、现某些特殊的测量；能工作在高温， 强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化， 承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能 对带磁工作进行测量。 .动态响应好(good dynamic response) 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10 5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得 很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间 短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于 其介质损耗(medium lose)小可以用较高频率供电，因此系统工 作频率高。它可用于测量高速变化的参数。 4.2 问题及改进措施 .可以非接触测量，具有平均效应 例如 非接触测量回转轴(revolving axle)的振动(vibration) 或偏心率(eccentricity)、小型滚珠轴承(ball bearing)的径向间 隙(radial clearance)等。当采用非接触测量时，电容式传感器 具有平均效应(averaging effect)，可以减小工件表面粗糙度 (roughness of surface)等对测量的影响。 电
