电容式传感器-1

1同学们好！香港迪士尼喷泉2应变片在悬臂梁上的粘贴及变形C.应变式传感器应用3应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4C.应变式传感器应用4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FFC.应变式传感器应用5应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF6荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。C.应变式传感器应用7应变效应的应用西南交大传感器实验室8汽车衡应用9汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）10汽车衡称重系统应用11荷重传感器用于构件的称重荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆12电子秤磅秤超市打印秤远距离显示应用13电子天平电子天平的精度可达十万分之一应用14人体秤应用15吊钩秤便携式16应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。应用17压阻式固态压力传感器利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。18内部结构信号处理电路压阻式固态压力传感器19小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器20小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器21小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管22投入式液位计压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。23投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器光柱显示器橡胶背压管24投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。25材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试第4章电容式传感器4.1传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的特性等效电路4.4电容传感器的设计要点4.5电容式传感器的转换电路4.6电容式传感器的应用举例274.1电容式传感器的工作原理及类型由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为dSc式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;S——两平行板所覆盖的面积;d——两平行板之间的距离。28由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成了电容式传感器。根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，即变极距(或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。29当被测参数变化使得式中的S,d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,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。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种类型。一、图4-1为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr和S为常数,初始极距为d0时,由式可知其初始电容量C0为000dScr30图4-1变极距型电容传感器结构原理31若电容器极板间距离缩小Δd,电容量增大ΔC,则有由式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系。此时ΔC与Δd近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d很小时,才有近似的线性输出。dddCddddSdSddSC032另外,由式可以看出,在d较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d过小,容易引起电容器击穿或短路。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。为了改善非线性、提高灵敏度和减少外界的影响，电容器常常做成差分形式，如图4-1（C）。33SScc0很明显,这种形式的传感器其电容量ΔC与ΔS是线性关系。若电容器遮盖面积由S变为S’，电容量增大ΔC,则有dSdSSdSdSC)(二、变面积型电容式传感器图4-2是变面积型电容传感器原理结构示意图。34图4-2变面积型电容传感器结构原理图35同心圆筒形线位移电容式传感器36初始电容C0为：10002DDlnLCLxCDDlnxLC1201001当内筒上移x时，内外筒间的电容C1为：D1D0Lx与x成线性关系LCC0x37三、变介电常数型电容传感器图4-3是一种变介电常数型电容式传感器厚度（a）、位移（b）、液位液量（c）如图4-3（c）设被测介质的介电常数为ε,空气介电常数为ε0，液面高度为hx,极筒高度为h,内筒外径为r2,外筒内径为r1,则此时电容值为120120ln)(2ln2rrhrrhCr38图4-3变介电常数型电容传感器结构原理图39(c)液位传感器图液位传感器的等效电路C2C1C圆筒式液位传感器首先12002r/rlnhC12002r/rlnhC2r22r1hhx1212r/rlnhCx12022r/rlnhhCx40RRF/ln2/ln2/ln2/ln2000012012012012xxxxhhCCrrhrrhrrhhrrhChhCCx000与被测液位hx成线性关系。12002r/rlnhC2r22r1hhx414.2电容传感器的灵敏度及非线性这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介质，如图4-1情况。对单极式电容表达式为：其初始电容值为：当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：dsC00dsCCCddsC00)(42可求得：...])()(1)[()1()()(3020000102000000ddddddddCddddSddddSdSddSCCC43灵敏度k为只有比值d/d0很小时才可认为是接近线性关系，这就意味着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大。3200001dddddddCdCk44•为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离d0，以保证比值d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰作用将增加。•常采用差动式电容传感器（灵敏度比单极式提高一倍）•变面积型和变介电常数型(测厚除外)电容传感器具有很好的线性。但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的。实际上由于边缘效应仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。