机械工程测试技术电子课件-第五章 信号的 获取与调理

电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器是将被测量(如位移量、尺寸、压力、厚度、物位、温度、湿度、振动、转速、流量等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。1、工作原理电容式传感器实质是一种有可变参数的电容器。中间充满介质的两块平行金属极板构成的电容器，其电容量为：S

d此式没有考虑边缘效应5.2.2.1电容式传感器信号获取原理理想平板电容器的电场线是直线的，但实际情况下，在靠近边缘地方的会变弯，越靠边就越弯得厉害。到边缘时弯的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。

S

d式中，

：极板间介质介电常数；

d：极板间距；

S：极板有效面积。式中，

：介质相对真空的介电常数，空气

1；

0：真空的介电常数，

0=8.85

10-12F/m；

d：极板间距；

S：极板面积。注意：上述式子还有另外一种的表达形式：由电容式传感器的工作原理表达式可以知道，ε、S、d的改变均使电容器的电容值发生变化。因此可以保持其中的两个参数不变，只改变其中的某一个参数制造各种的电容式传感器。d变——ε、S不变，称为变极距型〔或变间隙型〕；S变——ε、d不变，称为变面积型；ε变——d、S不变，称为变介电常数型〔或介质变化型〕极距变化型它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。下面分别讲解这三种类型的电容式传感器。2、类型一、变极距型电容式传感器

d——CS

d定板动板定板d定板动板d传感器的灵敏度灵敏度不是一个常数，说明输入输出间为非线性关系，C——d关系为：可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围d/d00.1。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量〔0.01m~几个mm〕。实际应用中，为了提高灵敏度、改善非线性及克服些外界条件〔如某电源电压、环境温度等〕的变化对测量精度的干扰，常采用差动(分)式〔如以下图〕。此时灵敏度提高一倍，非线性误差减小。d2ddd1Dd定板动板定板定板定板动板二、变面积型电容式传感器

S——C传感器的灵敏度灵敏度是一个常数，说明输入输出间为线性关系。常见的四种结构形式：平面线位移型角位移型圆柱体线位移型差动式圆柱体线位移型动板动板动板动板定板定板定板定板定板三、变介电常数型电容式传感器

e——C这种传感器可用来测量两平行极板间介质的厚度、位移、液位、液量，除此之外还可以测温度、湿度、容量等。变介电常数型电容传感器结构原理图测厚测位移测液位液量测温度湿度流量以C测液面高度为例前述公式：对照着应用：r1r2hxh内外极板间要加绝缘层！同轴电极间的介质发生变化3.电容式传感器的应用〔1〕．电容式接近开关

齐平式非齐平式电容式接近开关外形非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移开工作台上，工作台由一个主电机拖动，作来回往复运动，刀具作旋转运动。现用两个电容开关来决定工作台何时换向。当“A〞号传感器有输出信号时，使主电机停止反转，同时，接通其正转电路，从而使工作台向右运动；当“B〞号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，接通其反转电路，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。〔2〕.电容式油量表当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为h处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转〔示值减小〕，同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值到达一定值时，电桥又到达新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置〔x处〕。电容式液位计棒状电极〔金属管〕外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套金属管〔电极板〕导电液体〔电极板〕（3）.电容式转速传感器设齿数为Z，由计数器得到的频率为f，则转速n（r/min）为:（4）.电容式位移传感器电容式位移传感器在测振幅和测轴回转精度和轴心偏摆的应用。

（5）.湿敏电容

利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。湿敏电容外形吸水高分子薄膜湿敏电容模块及传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形

（6）.容栅式传感器容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度。容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可分为长容栅、片状圆容栅、柱状圆容栅三类。

1.直线形容栅传感器（长容栅）长容栅结构原理图

式中，n——动尺栅极片数；a，b——栅极片长度和宽度。容栅传感器的最小电容量理论上为零，实际上为固定电容C0，为容栅固有电容。当动尺沿x方向平行于定尺不断移动时，每对电容的相对遮盖长度a将由大到小，由小到大地周期性变化，电容量值也随之相应周期变化，如图所示，经电路处理后，则可测得线位移值。2.圆形容栅传感器（片状圆容栅）最大电容为：式中r1，r2

——圆盘上栅极片内半径和外半径；α——每条栅极片对应的圆心角。3.筒形容栅传感器〔柱状圆容栅〕筒形容栅传感器由两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀在圆筒上，可实现长度的测量。柱状圆容栅的结构原理图如下图。随着微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展，各种基于MEMS技术的传感器也应运而生，由于国防和尖端技术需要，微加速度传感器近年来发展迅速。在各种微加速度传感器中，微电容式加速度传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力强，体积小、重量轻、易于与测试、控制电路集成、有利于大规模批量生产等优点，其研究和应用受到越来越广泛的关注。硅微加工加速度传感器微加工三轴加速度传感器硅微加工加速度传感器原理

1—加速度测试单元；2—信号处理电路；3—衬底；4—底层多晶硅〔下电极〕；5—多晶硅悬臂梁；6—顶层多晶硅〔上电极〕加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式平安气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气