平面电容传感器模型特性研究设计.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4月20日22摘要电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，成本低，性能优良以及对环境要求不高、可在恶劣环境中工作，可非接触测量等。这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。 它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大，应用于压力、液面、料面、成分含量等方面的测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等一系列优点，而它存在的分

2、布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。 本文提出一种新型平面板极电容传感器模型，主要应用在板材、屋面等平面结构的特性检测，重点对传感器的建立、参数特性、应用检测进行了论述。关键词：非线性；平面电容传感器Error! Reference source not found.AbstractCapacitive sensoris asensor isconverted tothemeasurement ofcapacitance change.Due to the capacitivesensorhas a series ofadvantag

3、es:such as simple structure,small volume,high resolution,low cost,excellent performanceandenvironmental requirements is not high,can workin harsh environments,noncontact measurement.These advantages,along withthe rapid development of electronic technology,especially the emergence ofintegrated circui

4、t,will be furtherreflected. It is not only widely ,used inprecision measurementvibrationacceleration,angle,and other mechanicalquantity,but alsogradually expanded,is used to measure thepressure,liquid level,level,compositionetc.This kind of sensor hasa series ofadvantages such as simple structure,hi

5、gh sensitivity,good dynamic response performance,strong adaptability,resistance tooverload capabilityandlow price,which isthedistributed capacitance,nonlinear defectsandwill continue tobe overcome,so thecapacitive sensorhas been widely used in thenon electric measurementand automaticdetection.In thi

6、s paper,basedonthekeyparameters,the application ofthe sensordetectionare discussed in this paper.Key Words: nonlinear,planar capacitancesensor目录绪论1第一章 电容传感器的概述21.1 变间隙式电容传感器21.2变面积式电容传感器31.3变介电常数式电容传感器4 1.4电容式传感器的应用5 1.4.1电容式位移传感器6 1.4.2电容式压力传感器6 1.4.3电容式加速度传感器7 1.4.4电容式液位传感器7 1.4.5电容式测厚仪9第二章 平面电容传感

7、器的设计112.1平面电容传感模型的建立112.2模型的特性分析12 2.2.1平面极板电容器的物理模型12 2.2.2电容器的探测灵敏度与探测深度15 2.2.3传感器在平面结构物体湿度检测上的优越表现16第三章 平面电容传感器的应用17 3.1湿度检测的需求分析17 3.2系统组成18 3.3数据采集与分析18 3.3.1采集电路的主要功能19 3.3.2数据采集设计思路19第四章 结论与展望20参考文献21致谢22绪 论电容传感器具有结构简单、成本低、体积小、性能优良以及对环境要求不高、可在恶劣环境中工作等突出优点，使其具有广泛的应用。在普通应用场合，电容传感器电极被设计成对称电极式结构

8、，而在某些特殊应用场合，电极结构和组合方式是非对称的，以便提高它的灵敏度。传感器电极大小和组合方式对灵敏度和探测距离具有重要意义。电容式传感器主要分为三类：变面积式电容传感器、变间隙式电容传感器、变介电常数式电容传感器。三种类型都有总结的优缺点和适用场合。但是传统的电容极板检测范围小，使用受限。目前结构新型、功能完善的电容传感器是众多科研机构院校厂家研究的重点。本文提出一种新型的平面极板电容传感器模型，主要用在板材、屋面的平面结构的特性检测。本文重点对传感器的建立、参数特性、应用检测进行了论述。第一章 电容传感器的概述电容传感器的基本原理：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

9、考虑边缘效应,其电容量为式中:电容极板间介质的介电常数, =or,其中o为真空介电常数, r为极板间介质相对介电常数; A两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离。 电容传感器的分类：变间隙式，变面积式，变介电常数式。1.1 变间隙式电容传感器 若d从d0 (d0d), 电容量C0(C0 +C), 则有当dd0时，变极距式电容传感器有近似线性关系。所以变极距型电容式感器一般用来测量微小变化的量。电容器灵敏度：提高灵敏度：增大初始电容量增大C0； 减小初始极距d0。（弊端）对同样的变化量d，d0越小，则C的变化量就越大，灵敏度越高，但d/d0也越大，故非线性误差就越大。d0过小易引起电容器击

10、穿或短路。解决办法：在极板间加入一层高介电常数的材料如：云母、塑料膜等。结论： 欲提高灵敏度，应减小间隙d，但受电容器击穿电压的限制；可放置高介电常数材料如云母片。加云母层后，可以大大减小极距，因此，此类传感器一般用来测量微小位移0.01微米 0.9mm。 非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。d/d=0.020.1 为改善非线性，可以采用差动式。1.2 变面积式电容传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器常用的有角位移型和线位移型两种。+ 角位移型电容传感器 线角位移型电容传感器直线位移型电容式传感器当被测量的变化引起动极板移动距离x时，覆盖面积S就发生变

11、化，电容量C也随之改变，其值为：初态： 说明：(1)电容C的变化C与直线位移x呈线性关系； (2)增大k：减小两极板间的距离d，或增大极板的边长b可提高传感器的灵敏度，但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b则受到传感器体积的限制。(3) 为提高灵敏度可以做成差动形式。差动结构图初态：覆盖长度a1=a2=a0，宽为b，极距d1=d2=d，初态： C1=C2 =C0 左移x ： 减小平移过程中极距d的影响，常做成圆柱式。圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度h变化时，电容量也随之变化，其电容为：1.3变介电常数式电容传感器这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。

12、可根据极板间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(图d)等。测位移：无插入时 插入x时 电容传感器：极板长l、宽为b、极距为dLl替换为x 测厚度d0 d=d1+d2+d0 电容式液位传感器 （线性）1.4 电容式传感器的应用1.4.1电容式位移传感器图11 电容式位移传感器图11是变面积式位移传感器的结构图，这种传感器采用了差动式结构。当测杆随被测位移运动而带动活动电极移动时，导致了活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电容量也相应产生变化，这种传感器有良好的线性。1.4.2电容式压力传感器图12电容式压力传感器图12是一种典型的差动式电容压力传感器的结构

13、图，该传感器主要由一个活动电极、两个固定电极和三个电极的引出线组成。动电极为圆形薄金属膜片，它既是动电极，又是压力的敏感元件；固定电极为两块中凹的玻璃圆片，在中凹内侧，即相对金属膜片侧镀上具有良好导电性能的金属层。电容式压力传感器的工作原理为：当被测压力（或压差）作用于测量膜片（电容器的动片）而产生位移时，电容器的电容量也随之发生变化，经过测量电路，转换成相应的电压或电流的变化。图13结构结构： 测量膜片（金属弹性膜片） 动片； 两个玻璃球面上镀有金属 定片； 膜片两侧左右两定中充满硅油。 工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将压差 传递到测量膜片。1.4.3电容式加速度传感器图14电容式加速度传感器这里有两个固定极板，极板