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第二篇检测元件
第十章电容传感器
第十章电容传感器
工作原理和分类
电容传感器的测量电路
电容传感器的应用
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电容传感器是一种将被测物理量如尺寸、压力等的变化转换为电容
量变化的传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、分辨率高、结构简单
、易于实现非接触测量和能在恶劣环境下工作等优点。尽管它的应用已
有几十年历史,但近些年来,随着微电子技术,特别是集成电路的出现
,材料、工艺和结构、设计上的改进,过去影响它广泛应用的缺点如存
在分布电容、外部干扰和非线性等不断得到克服,使它在自动检测和自
动控制中重新获得广泛的应用。
工作原理和分类
工作原理
由物理学原理可知,两平行极板组成的电容器,如忽略边缘效应,其电
容量为
 C= (F) ()
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工作原理和分类
电容传感器的分类和特性
一、变极距型电容传感器
。(a
)所示,当动极板在被测量作用下发生位移,并使间隙减少Δd时,此
时电容C将为
  C=εA/(d-Δd) ()
上式表明C=f(d)(b)所示是双曲函数。如果电容传
感器输出为容抗xc=1/ωC,那么xc与初始容抗x0=1/ωC0之间呈线性关系。
二、变面积型
1角位移式
当动极板有一角位移θ时,两极板覆盖面积A就改变,从而改变了两
极板之间的电容量。这种型式的电容传感器电容C与角位移θ呈线性关
系。
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变极距型电容传感器结构原理和特性
返回
(a)结构图; (b)特性曲线图
1—定极板;2—动极板
工作原理和分类
2直线位移式
当动极板移动Δx后,两极板之间的电容为
 C=εb(a-Δx)/d
电容变化量为
ΔC=C-C0=-εbΔx/d()
传感器灵敏度为
K=ΔC/Δx=-εb/d()
由此可见,直线位移式传感器的特性是线性的,且增加b或减少d均可提
高传感器的灵敏度。但增加b值会受结构的限制,减小d值会受电场强度
的限制。
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工作原理和分类
3圆筒式
(c)所示。由物理
学知道,圆柱形电容器的电容为
 C0=2πεl/ln(R/r) ()
式中,l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;
 R, r——外圆筒的内半径与内圆柱的外半径。
对于单边圆柱形线位移式((c)示),当忽略边缘效应
,动极板位移Δl时,电容变化量为
ΔC=C0Δl/l()
显然也是呈线性关系。
近些年来,在变面积型电容传感器的基础上发展出一种新型电容传
感器,称为容栅传感器,它可分为长容栅和圆容栅两类,
示,(a)、(b)中,1是固定容栅,2是可动容栅
,在它们的面上分别通过印刷(或光刻)的方法,制成一系列均匀分布
并互相绝缘的金属(如铜箔)栅极。
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变面积型电容传感器结构原理图
返回
(a)角位移式; (b)直线位移式; (c)圆筒式
1—定极板;2—动极板
容栅传感器结构原理图
返回
(a)长容栅;(b)圆容栅;(c)柱状圆容栅;(d)特性曲线
1—固定容栅;2—可动容栅
工作原理和分类
容栅传感器除了具有一般电容传感器的优点外,还因是多极电容及
其平均效应,因此分辨率更高,测量精度高,对极板刻制精度和安装等
要求不高,量程大,现已应用于数显量具、雷达测角系统等重要场合一
种很有发展前途的传感器。
三、变介电常数型
,这种传感器大
多用来测量电介质的厚度、位移、液位等,还可根据电介质的介电常数
随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。
(1)(a)所示测厚型,电容为

()
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