《電容式傳感器的工作原理和在壓力測(cè)量中的應(yīng)用》

1、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)大作業(yè)題 目 院 系 班 級(jí) 學(xué)生姓名 日 期電容式傳感器的工作原理及其在壓力測(cè)量中的應(yīng)用摘要：電容式傳感器以各種類(lèi)型的電容器作為傳感器元件，通過(guò)傳感器元件將被測(cè)物理量的 變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，在經(jīng)過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率。電容式傳感器廣泛 的應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的測(cè)量，還應(yīng)用于壓力、差壓、液位、料位 等熱加工量的測(cè)量。本文主要介紹電容式傳感器的工作原理及其在壓力測(cè)量中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：電容式傳感器工作原理壓力測(cè)量應(yīng)用發(fā)展Summary:In all types of capacitive sen sors as the sen sor capacit

2、or eleme nt, the sen sor eleme nt by cha nges in the measured physical qua ntity as a cha nge in capacita nee is con verted, after measuri ng circuit into a voltage, curre nt or freque ncy. Capacitive sen sors are widely used in displaceme nt, vibrati on, an gle, accelerationand other mechanical mea

3、surement of the amount, also applies pressure,differentialpressure, level, level and other thermal processing of the measurement.This paper describes the working principle of the capacitive sensor and its applicati on in pressure measureme nt.Keywords: capacitive pressure sen sor measureme nt applic

4、ati ons developme nt works1. 引言電容式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種參量型傳感器。電容式傳感 器廣泛應(yīng)用于壓力、液位、位移等各種檢測(cè)中，由于形式多種多樣，傳感器電容值 相差很大。電容式傳感器可分為變面積變化式、變間隙式、變介電常數(shù)式三類(lèi)。變 面積變化式一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移。變間隙式一般用來(lái)測(cè)量微小的線 位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。變介電常數(shù)式常用于物位測(cè)量和各 種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動(dòng)態(tài)范圍大、 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快、幾乎沒(méi)有零漂、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。70年代末以來(lái)，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出

5、現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是 一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。電容式傳感器的基本工作原理以?chǔ)存電荷為目的制成的元件稱為電容器。由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為.專業(yè)資料.圖1:平行板電容器為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，& 0 =8.83 x 10-1乍/m,其中& 0為真空介電常數(shù)e r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù) ；A為兩平行板所覆蓋的面積 ；d為兩平行板之間的 距離。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的A, d或&發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩

6、個(gè)參數(shù)不變,而僅改變其中一個(gè)參數(shù),就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可以分為三種類(lèi)型： 變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。2.1變間隙式電容式傳感器如圖2為變極距型電容式傳感器的各型原理圖。當(dāng)傳感器的& r和A為常數(shù)，初始極距為do時(shí)，由Co(1 F)d)2專業(yè)資料.可知其初始電容量 C為C若電容器極板間距離由初始值d0縮小 d,電容量增大 C,則有C1=C0+ C由該式可知,傳感器的輸出特性 C =f(d) 器起始電容量一般設(shè)置在十幾皮法至幾十皮法, 妥當(dāng)，動(dòng)極板移動(dòng)位移應(yīng)該小于兩極板間距 2.2變面積電容傳感器如下圖是變面積型電容傳感器原理圖

7、。不是線性關(guān)系，而是雙曲線關(guān)系。電容式傳感極板間隙設(shè)置在1001000耳m的范圍比較1/101/4，電容可增加 23倍。變面積線位移電容傳感器原理圖圖4變面積角位移電容傳感器原理圖圖5移動(dòng)動(dòng)極板，改變兩極板之間的有效面積，電容量也隨之改變，電容C為：G)傳感器靈敏度為:少CbK xcAd電容增量：C C C0 b xd很明顯，這種形式的傳感器其電容量 C與水平位移 x是線性關(guān)系。如圖5是電容式 角位移傳感器原理圖。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移B時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就改變從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)B=0時(shí)，則C0= 0 rA)d0式中： r為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；do為兩極板間距離；A0兩極板間

8、初始覆蓋面積，當(dāng)B 工0時(shí)，貝y1= e o e r Ao從上式可以看出，傳感器的電容量 C與角位移B呈線性關(guān)系。2.3變介質(zhì)型電容式傳感器因?yàn)楦鞣N介質(zhì)相對(duì)介質(zhì)常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的 電容量也不同，變介電常數(shù)式電容式傳感器就是依據(jù)此原理制作的。如圖6是變變介電常數(shù)電容傳感器原理圖。.專業(yè)資料.圖6當(dāng)在電容器兩個(gè)極板之間充以空氣以外的其他介質(zhì)時(shí)，介電常數(shù)相應(yīng)變化，電容量發(fā) 生改變，構(gòu)成了變介電常數(shù)型電容傳感器。變介電常數(shù)電容傳感器的結(jié)構(gòu)較多，其中有利用一些非導(dǎo)電固體的濕度變化，介質(zhì)自 身介電常數(shù)變化的電容傳感器，可以用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材、煤炭等物質(zhì)的濕度。n

9、如圖7是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。 設(shè)被測(cè) 介質(zhì)的介電常數(shù)為e 1,液面高度為h,變換器總高度為 H,內(nèi)筒外徑為d,外筒內(nèi)徑為D, 則此時(shí)變換器電容值為c2ih2(Hh)InDIn -DddCo2(i)hInD2H2 h ( 1)ln D dln D d2HC0l DIn -d由上式可知，此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度ho變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來(lái)測(cè)量紙張，絕緣薄膜等的厚度等, 圖8是一種常用的結(jié)構(gòu)型式。圖中兩平行電極固定不動(dòng)極距為do,相對(duì)介電常數(shù)為 r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器總電容量C

10、為Ciri( L式中：L 0, b為極板長(zhǎng)度和寬度；L為第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度。若電介質(zhì) r1=1, 當(dāng)L=0時(shí)，傳感器初始電容 C0= 0 r 1 Lb/d。o當(dāng)介質(zhì) r2進(jìn)入極間L后，引起電容的相對(duì) 變化為可見(jiàn)，電容的變化與電介質(zhì)& r2的移動(dòng)量L呈線性關(guān)系。變介電常數(shù)式電容式傳感器常用于測(cè)量液位高度，也可以測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，還可以用來(lái)測(cè)量糧食、紡織 品、木材等的非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。2. 電容式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)電容式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可以在惡劣環(huán)境下工作； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨力強(qiáng)，沒(méi)有由于震動(dòng)引起的漂移，但它同時(shí)也具有以下缺點(diǎn)：測(cè)試導(dǎo) 線分布電容對(duì)

11、測(cè)量誤差影響較大，電容量的變化與極板間距離變化為非線性。電容式傳感器具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展， 測(cè)試導(dǎo)線分布電容對(duì)測(cè)量誤差的影響以及非線性的缺點(diǎn)也可得到克服，所以電容式傳感器在自動(dòng)監(jiān)測(cè)中得到越來(lái)越廣泛 的應(yīng)用。4.電容式傳感器的應(yīng)用電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移，振動(dòng)振幅（可測(cè)至0.05卩m的微小振幅）,尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、 差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的 濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。如圖9所示為電容差壓傳感器。圖9參考文獻(xiàn)1 陳霞，吳春旺電容傳感器在使用中存在的幾個(gè)問(wèn)題及處理方法M. 2005.2 張白莉.電容式傳感器的應(yīng)用和發(fā)展M.2OO5.3 馬西秦，許振中，賴申江.自動(dòng)檢測(cè)技