测试技术基础课件北京工业大学机电学院第05章 电容式传感器

1、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制测试技术基础测试技术基础测试技术基础测试技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制第五章第五章 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型（极距极距、面积面积、介质介质） 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点 电容式传感器的等效和测量电路电容式传感器的等效和测量电路 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 容栅式传感器容栅式传感器本章内容：本章内容：测试技术基础测试技术基础北京工业大学机电学

2、院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制变换原理：将被测非电量的变化转化为电容量变化变换原理：将被测非电量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AArC0+ A 、A或或发生变化时，都会发生变化时，都会引起电容的变化。引起电容的变化。变极距型变极距型变面积型变面积型变介质型变介质型传感器类型传感器类型5.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型

3、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 CCC0011/ CC 02311/CC0(/) 0.9mmm01051101.一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制CC2102412ccc 优点：优点：1、减小非线性误差、减小非线性误差2、提高传感器灵敏度、提高传感器灵敏度3、减小寄生电容的影响、减小寄生电容的影响4、减小温度、湿度等环境、减小温度、湿度等环境因素的影响因素的影响实际应用常采用差动式结构。实际应用常采用差动式结构。C2C1

4、d1d200一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制驻极体电容传声器驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是电容传声器极板

5、，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。体积小、性能优越、使用方便。 一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制指纹识别指纹识别 指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后的

6、右图为指纹经过处理后的成像图：成像图：一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列在上面时，金属导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮肤就构成了相应的小皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）

7、与金属导体之间的距离不同而变化。与金属导体之间的距离不同而变化。指纹识别指纹识别一、间隙变化型一、间隙变化型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制二、变面积型二、变面积型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。 压力变送器压力变送器二、变面积型二、变面积型5.2 电容式传感器的结构

8、类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(a) 极板上覆盖有介质极板上覆盖有介质(b) 介质可移动介质可移动三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制电容式接近开关电容式接近开关振

9、荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容 测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化随之发生变化. .接近开关的检测物体，并不限于金属接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京

10、工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制三、变介质型三、变介质型5.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 1. 1. 温度稳定性好；温度稳定性好； 2. 2. 结构简单、适应性强；结构简单、适应性强； 3. 3. 动态响应好；动态响应好； 4. 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应。可以实现非接触测量、具有平均效应。缺点：缺点：1 1、输出阻抗高、负载能力差；、输出阻抗高、负载能力差；2 2、寄生电容影响大；寄生电容影响大； 3 3、输出特性非线性。、输出特性非线性。优点优点: :5.

11、3 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制消除寄生电容方法消除寄生电容方法1、减小连线电缆长度、减小连线电缆长度;2、采用等电位驱动技术。、采用等电位驱动技术。5.3 电容式传感器的性能特点电容式传感器的性能特点北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(1) 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路L 包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r 由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C

12、0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；电容；Rg是极间等效漏电阻，包括：极板间的漏电损耗和介质损耗、是极间等效漏电阻，包括：极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。rC0CPRgL5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制低频等效电路低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和r的影响可忽略的影响可忽略等效电容等效

13、电容Ce=C0+Cp，等效电阻等效电阻ReRg CeRg5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制高频等效电路高频等效电路 电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和r的影响不可忽略，漏电的影响不可忽略，漏电的影响可忽略的影响可忽略 ，其中，其中Ce=C0+Cp，而，而rer reCeLRCjLjCje115.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制调频电路调频电路运算放大器式电路运算放大器式电路二极管双二极管双T型交流电

14、桥型交流电桥电桥测量电路电桥测量电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路测量电路类型测量电路类型(2) 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值都非常小，电容式传感器中电容值以及电容变化值都非常小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。因此必须借助于也很难为记录仪所接受，不便于传输。因此必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。单值函数关系的电压、电流或者频率。5.4

15、 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制调频测量电路调频测量电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制ixxuCCuCjCju1)(10SCuui 0结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性 假设放大器开环放大倍数假设放大器开环放大倍数A= ，输入阻抗，输入阻抗Zi= 仍然存在一定的非线性误差，但一般仍然存在一定的非线性误差，但一般A和和Zi足足 够大，所以这种误差

16、很小。够大，所以这种误差很小。 运算放大电路运算放大电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为R，与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；，与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器适用于具有线性特

17、性的单组式和差动式电容式传感器 。 C2(b)RRRLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+iC1iC2iC1iC221E0CCMfUU二极管双二极管双T型电路型电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制电桥电路电桥电路文氏式电容测量电桥文氏式电容测量电桥5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制变压器式电桥电路变压器式电桥电路(a) 变压器式电桥原理图变压器式电桥原理图(

18、b) 测量电路测量电路电桥电路电桥电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 利用对传感器利用对传感器电容的充放电使电电容的充放电使电路输出脉冲的宽度路输出脉冲的宽度随传感器电容量变随传感器电容量变化而变化。化而变化。脉冲宽度调制电路图脉冲宽度调制电路电压波形5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为1、2和和S

19、1、S2 差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 11212ABUU11221ABUSSSSU特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器 具有理论上的线性特性具有理论上的线性特性 采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高; ;不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求; ; 不需要相敏检波与解调等不需要相敏检波与解调等; ; 对元件无线性要求对元件无线性要求; ; 经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压; ;对输出矩形波的纯度要求不高。对输出矩形波的纯度要求不高。 差动脉

20、冲调宽电路差动脉冲调宽电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制1、电容式液位计、电容式液位计 棒状电极（金属管）外面棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变电极与导电液体之间的电容变化。化。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限

21、位传感器与液位变送器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。输出为高电平的型号。5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按液位达到设定值时，放开按钮

22、，智能仪器就记住该设定。钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和点后，即可发出报警信号和控制信号。控制信号。设定按钮设定按钮5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作指示灯正常工作指示灯设定按钮设定按钮电源指示灯电源指示灯5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制2、硅微加工加速度传感器、硅微加工

23、加速度传感器加速度传感器以微细加加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其量惯性力或重力加速度。其工作电压为工作电压为2.75.25V，加速，加速度测量范围为数个度测量范围为数个g，可输出，可输出与加速度成正比的电压也可与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。脉冲。5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：技术指标：

24、灵敏度：灵敏度：500mV/g， 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz 安装谐振点安装谐振点:8kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：200g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线性误差：线性误差：1% 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1加速度测试单元加速度测试单元 2信号处理电路信号处理电路3衬底衬底 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）

25、5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，当它感受

26、到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出电转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 以上。以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或

27、加速度。就可以测量三维方向的振动或加速度。5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制加速度传感器在汽车中的应用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，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，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安全气囊迅速充气而膨胀，托住于是就启动轿车前部的折叠式安全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。驾驶员及前排乘员的胸部和头部

28、。 装有传感器装有传感器的假的假人人气囊气囊5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。气囊迅速充气。 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥

29、永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为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。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

30、电常数为大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 3、湿敏电容、湿敏电容5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜3、湿敏电容外形、湿敏电容外形5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制3、湿敏电容模块及传感器、湿敏电容模块及传感器5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制在野外的使用在野

31、外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型3、湿敏电容传感器的安装使用、湿敏电容传感器的安装使用5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制3、多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形、多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制4、电容式油量表、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表： 在油箱内，装有类在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式通过杠杆带动电阻丝式圆盘

32、电位器，由电流表圆盘电位器，由电流表指示出油量。指示出油量。5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为 m处。处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量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），同时带动时带动RP的滑动臂移动。当的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达阻值达到一定值时，电

33、桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x 处）。处）。4、电容式油量表、电容式油量表 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制油量表可用于飞机油箱油量表可用于飞机油箱4 4、电容式油量表、电容式油量表 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；

34、可绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。来改变动作距离。 5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制齐平式齐平式非齐平式非齐平式5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚

35、制非齐平式接近开关的安装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。非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制全密封防水全密封防水式式远距离式（大量程）远距离式（大量程）5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制电容接近开关的规格电容接近开关的规格5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5

36、.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制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液位测量控制中的使用5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 电容式接近开关电容式接近开关在液位物位测量控在液位物位测量控制中的使用制中的使用5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永

37、刚制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制不同材料的非金属检测物对电容式接近开关不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响动作距离的影响5 5、电容式接近开关、电容式接近开关 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜

38、片的位置内部不锈钢膜片的位置6 6、电容式压差变送器、电容式压差变送器 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制1高压侧进气口高压侧进气口2低压侧进气口低压侧进气口3过滤片过滤片4空腔空腔5柔性不锈钢波纹隔离膜片柔性不锈钢波纹隔离膜片6导压硅油导压硅油7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片8镀金凹形电极镀金凹形电极9弹性平膜片弹性平膜片10 腔腔6 6、电容式压差变送器、电容式压差变送器 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制6 6、各

39、种电容式压力变送器外形、各种电容式压力变送器外形5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制法兰法兰6 6、各种电容式压力变送器外形、各种电容式压力变送器外形5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制6 6、各种电容式压力变送器外形、各种电容式压力变送器外形5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制利用电容差压变送器测量液体的液位利用电容差压变送器测量液

40、体的液位 差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内的施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：压力与液位成正比： p = g h5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制电容差压变送器用于测量电容差压变送器用于测量液体的液位液体的液位 投入式水位计投入式水位计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制7、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用 测量流量的方法很多，有流速法、容积法、质

41、量测量流量的方法很多，有流速法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照国家标准制造的标式、电磁式、差压节流式等。按照国家标准制造的标准节流装置的流量系数计算公式是相当完备的，所以准节流装置的流量系数计算公式是相当完备的，所以它是一种可靠性和标准化较高的流量传感器，所以在它是一种可靠性和标准化较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。工业中大量使用差压式流量计。 体积流量体积流量qV=Av，单位为，单

42、位为m3/h或或L/s；质量流量质量流量qm= Av，单位为，单位为t/h或或kg/s。 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制7、差压节流式流量计、差压节流式流量计 所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，使流体经过该积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，使流体经过该节流装置时，流束局部收缩，流速提高，压强减小。节流装置时，流束局部收缩，流速提高，压强减小。 节流式流量计的缺点是流体通过节流装置后，会节流式流量计的缺点是流体通过节流装

43、置后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度t 、压力、压力p1变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温度、压力修正。度、压力修正。 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制叶轮式风流速、叶轮式风流速、流量计流量计7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制玻璃转子流量计玻璃转子流量计流流 体体 入入 口

44、口流流 体体 出出 口口转子转子7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制节流装置（取压管及内部节流装置（取压管及内部的节流孔板）的节流孔板）节流孔板节流孔板后取压管后取压管 前取压管前取压管 流体通过节流体通过节流孔板时，流速流孔板时，流速加快，后取压管加快，后取压管处的压力减小。处的压力减小。7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制节流装置外形节流装置

45、外形节流孔板节流孔板后取压管后取压管 7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况节流孔板节流孔板流速变快流速变快压力变小压力变小 7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制节流装置的另一种形式节流装置的另一种形式 文丘里管或文丘里喷嘴文丘里管或文丘里喷嘴 文丘里喷嘴的压力损失较小

46、。文丘里喷嘴的压力损失较小。流体入口流体入口狭窄部位狭窄部位7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制文丘里喷嘴原理示意图文丘里喷嘴原理示意图文丘里喷嘴在管道文丘里喷嘴在管道中的位置中的位置前取压口前取压口 后取压口后取压口 7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制导压管的配置导压管的配置 节流装置输出的压力差是从节流装置的前后取压节流装置输出的压力差是从

47、节流装置的前后取压孔取出的。从取压孔到差压变送器的导压管的配置也孔取出的。从取压孔到差压变送器的导压管的配置也应按照规定的标准安装。如果被测流体是气体，导压应按照规定的标准安装。如果被测流体是气体，导压管应从节流装置的上方引出，以免混杂在气体中的液管应从节流装置的上方引出，以免混杂在气体中的液滴堵住取压管；如果被测流体是液体，导压管应从节滴堵住取压管；如果被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引出，以免混杂在液体中的气体影响取流装置的下方引出，以免混杂在液体中的气体影响取压。压。 7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大

48、学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制导压管配置图导压管配置图7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制节流式流量计外形节流式流量计外形7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制卡门涡街流量计演示卡门涡街流量计演示气体或液体管道气体或液体管道及涡流发生锥体及涡流发生锥体 7、差压节流式流量计、差压节流式流量计5.5 电容式传感器的应用电容式传感器

49、的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制b) 测轴回转精测轴回转精 度和轴心偏摆度和轴心偏摆a) 测振幅测振幅被测物被测物振振 动动电容式电容式传感器传感器被测轴被测轴电容式电容式传感器传感器8、电容式位移传感器应用、电容式位移传感器应用5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(1) 基本概念基本概念(2)工作原理及基本类型工作原理及基本类型(3) 容栅传感器电极的结构形式容栅传感器电极的结构形式(4) 信号处理方式信号处理方式(5) 容栅式传感器应用容栅式传感器应

50、用5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(1) 容栅式传感器的基本概念容栅式传感器的基本概念 容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上容栅式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。它在具有电容式传感器发展起来的一种新型传感器。它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且采用闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、采用闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰能力、提高了测量精度提高了抗干扰能力、提高了测量精度(5m)

51、、极大地、极大地扩展了量程扩展了量程(可达可达1m)，是一种很有发展前途的传感器。，是一种很有发展前途的传感器。将电容传感器中的电容极板刻成一定形状和尺寸将电容传感器中的电容极板刻成一定形状和尺寸的栅片，再配以相应的测量电路就构成了容栅测量系的栅片，再配以相应的测量电路就构成了容栅测量系统。正是特定的栅状电容极板和独特的测量电路使其统。正是特定的栅状电容极板和独特的测量电路使其超越了传统的电容传感器，适宜进行大位移测量。超越了传统的电容传感器，适宜进行大位移测量。5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(2) 工作原理及基

52、本类型工作原理及基本类型工作原理：一个极板由均匀排列电极的长栅工作原理：一个极板由均匀排列电极的长栅(定栅定栅)组成，组成，另一个极板由一对相同尺寸的交错对插电极梳另一个极板由一对相同尺寸的交错对插电极梳(动栅对动栅对)组组成。运行时，传感器的两个电极栅片相对安装，其中暗成。运行时，传感器的两个电极栅片相对安装，其中暗区域是两个电极栅的重叠面积，从而形成一对随位移反区域是两个电极栅的重叠面积，从而形成一对随位移反向变化的差动电容器向变化的差动电容器C1和和C2。传感器仍采用传统差动变。传感器仍采用传统差动变压器测量电路，但通过将电容极板刻成栅状提高了测量压器测量电路，但通过将电容极板刻成栅状提

53、高了测量精度并实现了大位移测量。精度并实现了大位移测量。 定栅定栅动栅对动栅对5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制长容栅长容栅长容栅长容栅圆容栅圆容栅片状片状柱状柱状基本类型基本类型(2) 工作原理及基本类型工作原理及基本类型5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制abnCmaxn动尺栅级片数 a , b栅极片长度和宽度(2) 工作原理及基本类型工作原理及基本类型5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥

54、胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制片状圆容栅片状圆容栅22122maxrranCr2 , r1 圆盘栅极片外半径和内半径圆盘栅极片外半径和内半径 a 每条栅极片对应的圆心角（每条栅极片对应的圆心角（rad）(2) 工作原理及基本类型工作原理及基本类型5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制柱状圆容栅柱状圆容栅(2) 工作原理及基本类型工作原理及基本类型5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(3) 容栅传感器电极的结构形式容栅传感器电极的结构形式 （a）直电极

55、反射式）直电极反射式（b）直电极透射式）直电极透射式（c）反射式）反射式L型电极型电极5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(a) 直电极反射式直电极反射式结构形式简单，使用方便，结构形式简单，使用方便，移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大 (3) 容栅传感器电极的结构形式容栅传感器电极的结构形式 5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(b) 直电极透射式直电极透射式 测量调整方便、安装误差和运行误差的影响大为测量调整方便、安装误差和运行误差的影响大为降低，但其制造安装困难。降低，但其制造安装困难。(3) 容栅传感器电极的结构形式容栅传感器电极的结构形式 5.6 容栅式传感器容栅式传感器北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制(c) 反射式反射式L型电极型电极 增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性 (3) 容栅传感器电极的结