平面电容传感器模型特性研究.doc

1、 本科生毕业论文(设计)平面电容传感器模型特性研究院系名称姓名学号专业指导教师 年04月20日18摘要平行板电容器的极板为空间平行相对放置，电场辐射集中在极板间狭窄地带，探测范围受限。电容器的结构给探测场合与应用带来局限。研究新型结构电容器并探寻利用电容传感器进行常量测量具有现实意义。本文在建立平面极板电容器模型基础上，重点讨论了电容器在湿度探测上的特性与应用。电容式传感器是将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种装置。由物理学可知，电容器的 电容量是构成电容器的极板形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。利用其这种可变参数的性质，人们制造出了许多具有不同用途的电容传感器。如测量位移、压力

2、、加速度、材料厚度、成分含量 等的电容传感器它们通常具有结构简单简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出优点近年来，随着科学技术的发展，各种类型的传感器已应用到工业生产与控制的各个领域中。 在木材工业中，木材含水率检测现在应用的电容传感器都是采用大量实验或近似数学模型的工作方法，难以控制和分析误差。本文先从物理模型分析着手，谈及平面电容传感器原理与应用，进而分析电容器探测与用途，最后总结传感器在平面结构物体湿度检测上的优越表现及电容器的主要参数影响。关键词：平行板电容器；新型结构；电极结构；探测灵敏度与深度；材料探伤Abstract Parallel plate capacitor plate

3、s relative placement for space parallel electric field radiation concentrated in a narrow strip between the plates, the detection range is limited. Capacitor structure and application to detect the occasion to bring limitations. Research and explore the use of new structural capacitor capacitance se

4、nsors measure the constant practical significance. In this paper, on the basis of the establishment of flat plate capacitor model, focusing on the characteristics and application of capacitors in the humidity probe. Capacitive sensor is a device to changes in the measured physical quantity into an e

5、lectrical capacitance change. Apparent from physics, the capacitance of the capacitor plates of the capacitor constituting the shape, size, and the mutual position of the dielectric constant ofuction and controlled. In the timber industry, wood the dielectric function. Using its variable nature of t

6、his argument, people create a lot of capacitive sensors have different purposes. Measuring displacement, pressure, acceleration, material thickness, and other ingredients capacitive sensor. They usually have a simple structure is simple, fast dynamic response, easy to realize the advantages of non-c

7、ontact measurement and other prominent. In recent years, with the development of science and technology, various types of sensors have been applied to various fields of industrial prod moisture content capacitive sensors detect applications are now a large number of experiments using a mathematical

8、model or approximate methods of work, it is difficult to control and analyze errors. This paper begins with a physical model started to talk about the principles and application of planar capacitive sensors, thus capacitor detection and analysis purposes, concludes the main parameters influencing th

9、e structure of the object on the plane sensor detecting the humidity of superior performance and capacitors.Key Words: Parallel plate capacitor, new structure, Electrode structure, detection sensitivity and depth, material testing目录1 引言12 平面极板电容器22.1 平面极板电容器的物理模型22.1.1 物理模型分析22.1.2 平面电容传感器原理与应用43 电容

10、器探测与用途83.1 电容器的探测及板材探伤实验83.1.1 电容器的探测灵敏度与探测深度83.1.2 板材探伤实验83.2 电容器的作用103.2.1 电容器在电子电路中的用途104 传感器优越表现及参数影响114.1 传感器的优越表现114.1.1 传感器在平面结构物体湿度检测上的优越表现114.2电容器的主要参数影响114.2.1 标称电容量及允许偏差114.2.2 额定电压114.2.3 绝缘电阻114.2.4 温度特性和频率特性125 现状与展望135.1 电容器现状135.1.1 最新动态135.1.2 国内发展135.1.3 国外发展135.2 展望145.2.1 新材料催生高端

11、新产品14参考文献16致谢18 1 引言这里我们简单的介绍平面电容传感器模型特性，我们先简单了解一下电容器的发展背景。最原始的电容器是1745年荷兰莱顿大学P.穆森布罗克发明的莱顿瓶，它是玻璃电容器的雏形。1874年德国M.鲍尔发明云母电容器。1876年英国D.斐茨杰拉德发明纸介电容器。1900年意大利L.隆巴迪发明瓷介电容器。30年代人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增长,因而制造出较便宜的瓷介电容器。1921年出现液体铝电解电容器，1938年前后改进为由多孔纸浸渍电糊的干式铝电解电容器。1949年出现液体烧结钽电解电容器，1956年制成固体烧结钽电解电容器。50年代初，晶体管发明后

12、，元件向小型化方向发展。随着混合集成电路的发展，又出现了无引线的超小型片状电容器和其他外贴电容器。随着电子信息技术的日新月异，数码电子产品的更新换代速度越来越快，以平板电视（LCD和PDP）、笔记本电脑、数码相机等产品为主的消费类电子产品产销量持续增长，带动了电容器产业增长。并带动了相关材料、设备行业的发展，中国已经成为全球电容器生产大国。电容器是由两个电极及其间的介电材料构成的。介电材料是一种电介质，当被置于两块带有等量异性电荷的平行极板间的电场中时，由于极化而在介质表面产生极化电荷，遂使束缚在极板上的电荷相应增加，维持极板间的电位差不变。这就是电容器具有电容特征的原因。电容器中储存的电量Q

13、等于电容量C与电极间的电位差U的乘积。电容量与极板面积和介电材料的介电常数成正比，与介电材料厚度(即极板间的距离)成反比。 2平面极板电容器2.1平面极板电容器的物理模型2.1.1 物理模型分析平面极板电容器的理想物理模型，如图2-1所示。两极板长L，宽b，间距a，放置在同一平面内，极板下是介电常数0r的均匀电介质 (0真空的介电常数；r电介质的相对介电常数) 。图2-1 平面极板电容器的理想物理模型为便于分析建立二维极坐标系如图2-2所示。两极板长L，宽b，间距a，两块极板电势分别为U1、U2(U1U2)。理想情况下认为极板足够的薄，厚度不计，足够的长，忽略边缘效应。图2-2 二维极坐标系

14、图2-3 二维极坐标系中等势面、电力线示意图 根据电荷分布对称性原理，在两板的角平分面A，每一点的电场强度都应该与之垂直，且该面为一个等势面。由空间的无限可分性原理，若依次等分得到角平分面均过原点，且为等势面，电场强度均应垂直于这些等势面，如图2-3所示，我们可以认为，经过原点的任意径向平面均为等势面。进一步得出空间各点电势U仅与该点所处的径向平面与水平面的夹角有关，电场强度与该点到原点O的半径r有关，方向垂直于r，即 （2.1） （2.2）式中Er电场强度的大小， 单位矢量。由于极板间的空间内没有电荷分布，根据电磁学结论，应满足拉普拉斯方程 （2.3）由式（2.2）知 （2.4）由式（2.3）解得 （2.5）得 （2.6）代入边界条件0时，U=U1；=时，U=U2，得 （2.7）根据电场和电势的关系得 （2.8）则 （2.9）进一步求出极板带电量，我们作一高斯面，如图2-4所示。弯曲柱面的侧面由电力线围成，弯曲柱面的底面是位于极板内距离坐标原点r处的小面元S，另一底面也与弯曲柱面垂直，面