第五章电容传感器

1、第五章第五章 电容传感器电容传感器电容传感器是以各种类型的电容器作为传感电容传感器是以各种类型的电容器作为传感组件的一种传感器，通过它将被测物理量的组件的一种传感器，通过它将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量转换电变化转化为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。路转换为电压、电流或频率。第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式0 rAACdd 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为 上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？型的电容传感器？ 第五章第五章 电容传感器

2、电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式0 rAACdd 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为 改变改变A A、d d、 三个参量中的任意一个量，均可三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量使平板电容的电容量C C 改变。改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。容传感器。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式变面积式电容传感器变面积式电容传感器变介电常数式变介电常数式电容传感器电容传感器变极距式电容变极距式电容传感器传感器第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容

3、传感器的工作原理及结构形式 图图a是平板形直线位移式结构。图是平板形直线位移式结构。图b b是同心圆筒形变面积式是同心圆筒形变面积式传感器。图传感器。图c c是一个角位移式的结构。是一个角位移式的结构。变面积式电容传感器第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式变面积式电容传感器 变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。对于半圆形角位移式可增加动极板和定极板的对数，参量。对于半圆形角位移式可增加动极板和定

4、极板的对数，使多片同轴动极板在等间隔排列定极板间隙中转动，以提高使多片同轴动极板在等间隔排列定极板间隙中转动，以提高灵敏度。在实际使用中，同心圆筒式的外筒必须接地以此来灵敏度。在实际使用中，同心圆筒式的外筒必须接地以此来屏蔽外界电场的干扰，半圆形角位移式的动极板必须制作一屏蔽外界电场的干扰，半圆形角位移式的动极板必须制作一个接地的金属屏蔽盒。个接地的金属屏蔽盒。第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式变极距式电容传感器 a） 结构示意图结构示意图 b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板 2动极板动极板 为了提高灵敏度，应使为了提高灵敏度

5、，应使当当d d0 0小些还是大些？当小些还是大些？当变极距式电容传感器的变极距式电容传感器的初始极距初始极距d d0 0较小时，它较小时，它的测量范围变大还是变的测量范围变大还是变小？小？ 第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式变极距式电容传感器在实际使用中，总是使初始极距在实际使用中，总是使初始极距d0尽量小些，以尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点，一般起始电容设置在十几皮法程较小的缺点，一般起始电容设置在十几皮法(pF)至几十皮法至几十皮法(pF)、极距、极距d0设置在设置在100

6、-1000微米的范微米的范围较合适，最大位移应该小于两极板间距的围较合适，最大位移应该小于两极板间距的1/10-1/4，电容的变化量可高达，电容的变化量可高达2-3倍。倍。第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式变介电常数式电容传感器各种介质的相对介电常数不同，在电容器两极板间插各种介质的相对介电常数不同，在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。入不同介质时，电容器的电容量也就不同。第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式变介电常数式电容传感器L0Ld0r1r2第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的

7、工作原理及结构形式差动电容传感器为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。动形式。图图3-7 差动电容传感器差动电容传感器原理图原理图 （a）变变d型（型（b）变变S型型则差动电容的输出为：则差动电容的输出为：351200002()()dddCCCCddd第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式差动电容传感器略去高次项得：略去高次项得： 002CdCd32()()100dddddd可见，差动电容传感器不仅使灵敏度提高一倍，而可见，差动电容传感器不仅使灵敏度提高一倍，而且非线性误差减小一个数

8、量级。且非线性误差减小一个数量级。第五章第五章 电容传感器电容传感器第一节 电容传感器的工作原理及结构形式电容传感器优点：电容传感器优点：（1 1）可获得较大的相对变化量）可获得较大的相对变化量（2 2）能在恶略的环境下工作）能在恶略的环境下工作（3 3）电容器工作所需的激励源功率小）电容器工作所需的激励源功率小（4 4）动态响应快）动态响应快第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路电容传感器将被测物理量转换为电容的变化后，必电容传感器将被测物理量转换为电容的变化后，必须采用测量转换电路将其转换为电压、电流或频率须采用测量转换电路将其转换为电压、电流或频率信号，电容传

9、感器测量转换电路种类很多，常用的信号，电容传感器测量转换电路种类很多，常用的有桥式电路有桥式电路、调频电路调频电路、脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路、运算运算放大式电路放大式电路、二极管双二极管双T T形交流电桥形交流电桥等等。等等。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路桥式电路iUC1C2CxC30UiUCx1Cx20U0U0U单臂接法单臂接法差动接法差动接法第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路桥式电路iUC1C2CxC30U交流电桥平衡时交流电桥平衡时123xCCCC当当C Cx x改变时改变时00U00U桥路有输出电压桥路有输出电

10、压单臂接法单臂接法第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路桥式电路iUCx1Cx20UUU差动接法差动接法差动电容传感器空载输出电压为：差动电容传感器空载输出电压为： 1201200000222xxxxCCUUCCCCCC UCCCCC UC 第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路桥式电路电桥输出电压与电源电压成正比，因此要求电源电压波动电桥输出电压与电源电压成正比，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳频、稳幅等措施。在实际应用中，接有极小，需要采用稳频、稳幅等措施。在实际应用中，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几电容传

11、感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗十兆欧），输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。放大器将信号放大后才能测量。电容式传感器电容式传感器电桥电路电桥电路相敏检波相敏检波滤波滤波输出输出振荡器振荡器电桥电路系统原理框图第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路双T形电桥电路 Ui是频率为是频率为f的高频激励电源，的高频激励电源，它提供了幅值对称的方波。它提供了幅值对称的方波。VD1、VD2为特性完全相同的两只二极为特性完全相同的两只二极管，固定电阻管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2

12、为为传感器的两个差动电容，初始值传感器的两个差动电容，初始值C1=C2。在。在Ui为正半周时，为正半周时，VD1导通、导通、VD2截止，于是电容快速充电到截止，于是电容快速充电到Ui的幅值，有的幅值，有电流流过电流流过RL。在随后的负半周期间，。在随后的负半周期间，VD1截止、截止、VD2导通，导通，于是电容于是电容C2快速充电到快速充电到Ui的幅值，而电容的幅值，而电容C1放电。有电放电。有电流流i2逆向流过逆向流过RL。VD2VD1ABR2R1RLi2U0C2C1Uii1第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路双T形电桥电路双双T形电桥电路特点：形电桥电路特点：

13、1. 电路简单；电路简单； 2. 差动电容传感器、信号源、负载有一个公共的接差动电容传感器、信号源、负载有一个公共的接地点，不易受干扰；地点，不易受干扰； 3. VD1和和VD2工作在伏安特性的线性段，死区电压影工作在伏安特性的线性段，死区电压影响较小；响较小； 4. 输出信号为幅值较高的直流电压。输出信号为幅值较高的直流电压。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路调频电路 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为 LC LC 振荡器谐振回振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生变发生变化，就使振荡器

14、的频率化，就使振荡器的频率 f 产生产生相应的变化。相应的变化。 电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？式中哪些量是变量？式中哪些量是变量？01 2fL C第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路调频电路 振荡器的输出信号是一个受被测量量控制的调频波，频率的变化在振荡器的输出信号是一个受被测量量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中转换为电压幅度的变化，经放大器放大、检波后就可用仪表来指鉴频器中转换为电压幅度的变化，经放大器放大、检波后就可用仪表来指示，也可将频率信号直接送到计算机定时器进行测量，限幅器的作用时对示，也可

15、将频率信号直接送到计算机定时器进行测量，限幅器的作用时对叠加在有用信号上的干扰电压进行叠加在有用信号上的干扰电压进行“削峰削峰”、去扰。、去扰。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)电路是利电路是利用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行控制，在电用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行控制，在电路的输出端得到一系列按一定规律变化的、幅值相等而宽度路的输出端得到一系列按一定规律变化的、幅值相等而宽度不相等的脉冲，是一种用以调节输出能量和波形的调制方式。不相等的脉冲

16、，是一种用以调节输出能量和波形的调制方式。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路脉冲宽度调制电路双 稳 态触 发 器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ#A1A2Ur第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路脉冲宽度调制电路uAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b)脉冲宽度调制电路电压波形第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路脉冲宽度调制电路 电路各点波形（电路各点波形（b）中）中uA

17、、uB脉冲宽度不再相等，一个周期脉冲宽度不再相等，一个周期(T1+T2)时间内的平均电压值不为零。此时间内的平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤电压经低通滤波器滤波后，波后， 可获得可获得Uo输出输出 21211TTTTUUUUBAo式中： U1触发器输出高电平； T1、T2Cx1、Cx2充电至Ur时所需时间。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路脉冲宽度调制电路由电路知识可知由电路知识可知 rxrxUUUnCRTUUUnCRT222221111111将将T T1 1、T T2 2代入上式，得代入上式，得 12121UCCCCUxxxxo差动电容的变化使充

18、电时间差动电容的变化使充电时间T T1 1、T T2 2不相等，从而使双稳态触不相等，从而使双稳态触发器输出端的矩形脉宽不同，发器输出端的矩形脉宽不同，经低通滤波器后有直流电压输经低通滤波器后有直流电压输出。出。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路特点：脉冲宽度调制电路特点：1 1 不论变面积式还是变极距式电容传感器，均能获得线性不论变面积式还是变极距式电容传感器，均能获得线性 输出；输出；2 2 双稳态输出信号一般为双稳态输出信号一般为100-1MHz100-1MHz的矩形波，所以直流输的矩形波，所以直流输出只需经滤波器出只需经滤

19、波器 滤波后引出即可；滤波后引出即可；3 3 电路采用直流电源，虽然要求直流电源的电压稳定度较电路采用直流电源，虽然要求直流电源的电压稳定度较高，但较其他测量电路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交高，但较其他测量电路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电源易于实现。流电源易于实现。第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相、相对面积对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，量，电容量电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非

20、电量转换成极距或者面积、介电常数的变将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。量电测的目的。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式液位计 棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。之间的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式液位限位传感器 液位限位传感

21、器与液位变送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，器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。以选择输出为高电平的型号。第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方智能化液位传感器的设定方法十分简单：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，放开按钮，液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，使

22、用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。即可发出报警信号和控制信号。第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式液位限位传感器的设定超限灯超限灯正常工作指示灯正常工作指示灯电源电源 指示灯指示灯设定按钮设定按钮第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工技图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为其工作电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测，加速度测量范围为数个量

23、范围为数个g g，可输出与加速度成正，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速比的电压也可输出占空比正比于加速度的度的PWM 脉冲。脉冲。第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用微加工三轴加速度传感器技术指标：技术指标： 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% 1% 第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用硅微加工加速度传感器原理 1

24、 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路 3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用硅微加工加速度传感器原理 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅。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以上下

25、微动的振动片。其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。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，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加速度测试单元封装呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输出电压。它的激励源也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。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的做在同一壳体内，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，所以频率响应可达质量很轻，所以频率响应可达1k

26、Hz1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 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，就可以测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加速度。量三维方向的振动或加速度。第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设当测得的负加速度值超过设定值时，定值时， 微处理器微处理器据此判据此判断发生了碰断发生了碰 撞，于是就启撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气

27、动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头驶员及前排乘员的胸部和头部。部。 装有传感器的假人装有传感器的假人气囊气囊第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用速度传感器在汽车中的应用 使用加速度使用加速度传感器可以在汽传感器可以在汽车发生碰撞时，车发生碰撞时，经控制系统使气经控制系统使气囊迅速充气囊迅速充气 。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用速度传感器在汽车中的应用第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用利用速度传感器实现延时起爆钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置第五章第五章

28、电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传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相对介电常数为8080），所以电容量增大。），所以电容量增大。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用湿敏电容吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜第五章第五章 电容传感器电容传感器

29、第三节 电容传感器的应用湿敏电容湿敏电容模块及传湿敏电容模块及传感器外形感器外形第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用湿敏电容在野外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用湿敏电容多孔性氧化铝湿敏电容传多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形感器外形 第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式油量表 在油箱内，装有在油箱内，装有类似卫生间水箱里的类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油，由电流表指示出油量。量。第五章第五

30、章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式油量表 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），失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动同时带动RP的滑动的滑动臂移动。当臂移动。当RP阻值阻值达到一定值时，电达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的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（位置（ x 处）。处

31、）。第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用指纹识别 指纹识别目前最常用的指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子非常适合在消费类电子产品中使用。产品中使用。 右图为指纹经过处理右图为指纹经过处理后的成像图：后的成像图：第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用指纹识别第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用指纹识别第五章第五章 电容传感器电

32、容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗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、人较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）体等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。；可以是接地的，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来改变动作距离。以根据被测物不同来改变动作距离。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近开关齐平式齐平式非齐平式非齐平式第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近开关 非齐平式安装

33、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。第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近开关全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近开关电容接近开关的规格电容接近开关的规格第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近开关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第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近开关第五章第五章 电容传感器电容传感器第三节 电容传感器的应用电容式接近

34、开关不同材料的非金属检测不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动物对电容式接近开关动作距离的影响作距离的影响第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量 压力的国际单位为压力的国际单位为“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”（PaPa）。）。 除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如位。如“工程大气压工程大气压”、“标准大气压标准大气压”、“毫米汞柱毫米汞柱”，气象学中还用气象学中还用“巴巴”（barbar）和）和“托托”为压力单位。这些单为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。位在一些进口仪表说明书上可能

35、还会见到。 压力基本概念2022-4-1262压力单位转换对照表压力单位转换对照表 第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量压力分类压力压力相对压力相对压力绝对压力绝对压力差压差压表压表压绝对压力绝对压力 传感器传感器差压传感器差压传感器表压传感器表压传感器第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量压力分类绝对压力绝对压力 传感器传感器它所测得的压力数值是相对于密封在绝对压力传感它所测得的压力数值是相对于密封在绝对压力传感器内部的基准真空（相当于零压力参考点）而言的，器内部的基准真空（相当于零压力参考点）而言的，是以真空为起点的压力。平常所说的环境

36、大气压指是以真空为起点的压力。平常所说的环境大气压指绝对压力。当绝对压力小于绝对压力。当绝对压力小于101kPa时，可以认为时，可以认为是是“负压负压”，所测得压力相当于真空度。，所测得压力相当于真空度。第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量压力分类差压是指两个压力差压是指两个压力p1和和p2之差，又称为压力差。差之差，又称为压力差。差压传感器在使用时，不允许在一侧仍保持很高压力压传感器在使用时，不允许在一侧仍保持很高压力的情况下，将另一侧的压力降低到零（值环境压的情况下，将另一侧的压力降低到零（值环境压力），这将使原来用于微小差压的膜片破裂。所以力），这将使原来用于

37、微小差压的膜片破裂。所以两侧最好安装一个保护用的均压阀。两侧最好安装一个保护用的均压阀。差压传感器差压传感器第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量压力传感器显示的压力为压力传感器显示的压力为“表压表压”。表压测量是差。表压测量是差压测量的特殊情况。测量时，以环境大气压为参考压测量的特殊情况。测量时，以环境大气压为参考标准，将差压传感器的一侧向大气敞开，就形成了标准，将差压传感器的一侧向大气敞开，就形成了表压传感器。表压传感器输出为零时，其膜片两侧表压传感器。表压传感器输出为零时，其膜片两侧实际上均存在一个大气压的绝对压力。实际上均存在一个大气压的绝对压力。表压传感器表

38、压传感器第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量电容式差压变送器高压侧高压侧进气口进气口低压侧进低压侧进气口气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量电容式差压变送器 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柔性不锈钢波柔性不锈钢波 纹隔离膜纹隔离膜片片 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 腔腔第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量电容式差

39、压变送器当被测压力当被测压力p1、p2由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔，由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔，该压力通过不锈钢波纹隔离膜以及热稳定性很好的灌充液该压力通过不锈钢波纹隔离膜以及热稳定性很好的灌充液（导压硅油），传导到（导压硅油），传导到“ 腔腔”。弹性平膜片由于受到来自两。弹性平膜片由于受到来自两侧的压力差而凸向压力小的一侧。在侧的压力差而凸向压力小的一侧。在 腔中，弹性膜片与两侧腔中，弹性膜片与两侧的镀金定级之间的距离很小（约的镀金定级之间的距离很小（约0.5mm左右），所以微小的左右），所以微小的位移（不大于位移（不大于0.1mm）就可以使电容变化）就可以使电容变化100

40、pF以上。测量以上。测量转换电路将电容的变化转换成标准的电流信号，通过信号电转换电路将电容的变化转换成标准的电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪表。缆线输出到二次仪表。第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量电容式差压变送器各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形 第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量电容式差压变送器各种电容式差压各种电容式差压变送器外形变送器外形 （参考（参考丹东长丹东长隆隆 自控有限公自控有限公司司 资料）资料）第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量电容式差压变送器各种电容式差压各种电容式

41、差压变送器外形变送器外形 第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量利用差压变送器测量液体的液位差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：的压力与液位成正比： p = g h第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量利用差压变送器测量液体的液位投入式水位计投入式水位计第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压变送器在流量测量中的应用流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别成为体积流量分别成为体积流量qv和质量流量和质量流

42、量qm。 体积流量体积流量qV=Av，单位为，单位为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。 例：设测得流速例：设测得流速v =10m/s ，圆管道的直径，圆管道的直径r =1m，则截面积，则截面积A=0.79m2 ，流量，流量qV V= 7.9m3 /s 。第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量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、量法、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）、

43、热线式、多普勒式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照国家标准制超声式、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，所以它是一种可靠性和标准化较高的流量传感的，所以它是一种可靠性和标准化较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。器，所以在工业中大量使用差压式流量计。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压变送器在流量测量中的应用叶轮式风流速、流量计叶轮式风流速、流量计 （参考北京北方大河仪器仪表（参考北京北方大河仪器仪表 有限公司

44、资料）有限公司资料）第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压变送器在流量测量中的应用玻璃转子流玻璃转子流量计量计流体入口流体入口流体出口流体出口转子转子第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压节流式流量计 所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积所谓节流装置，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，使流体经过该节流装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。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，会产节流式流量计的缺点是流体

45、通过节流装置后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度t 、压力、压力p1变变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温度、压力化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温度、压力修正。修正。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压节流式流量计节流装置（取压节流装置（取压管及内部的节流管及内部的节流孔板）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孔板时，流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处流速加快，后取压管处的压力减小。的压力减小。第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量

46、差压节流式流量计节流装置外形节流装置外形节流孔板节流孔板后取压管后取压管 第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压节流式流量计节流孔板节流孔板流速变快，压力流速变快，压力变小变小 流体流经节流孔板时，压力和流流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况速的变化情况 第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压节流式流量计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 文丘里喷嘴的文丘里喷嘴的压力损失较小。压力损失较小。流体入口流体入口狭窄部位狭窄部位第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量

47、差压节流式流量计 节流装置输出的压力差是从节流装置的前后节流装置输出的压力差是从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取压孔取出的。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。如果被测流体是气配置也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滴堵住取压管；如果被测流体是液体，气体中的液滴堵住取压管；如果被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引出，以免混杂在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压。中的气体影响取压。 第五章第五章 电容传感器电容

48、传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压节流式流量计导压管配置图导压管配置图第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压节流式流量计节流式流量计外形节流式流量计外形第五章第五章 电容传感器电容传感器第四节 压力、液位和流量的测量差压节流式流量计上海肯特智能有限公司上海肯特智能有限公司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本章小结本章小结 本章主要学习了电容传感器工作原理、结构、本章主要学习了电容传感器工作原理、结构、测量转换电路以及的应用，同时介绍了压力、测量转换电路以及的应用，同时介绍了压力、液位和流量的测量。液

49、位和流量的测量。 基本要求基本要求：掌握电容传感器的工作原理、：掌握电容传感器的工作原理、测量转换电路以及应用范围；掌握压力、液位测量转换电路以及应用范围；掌握压力、液位和流量的测量。和流量的测量。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路电容传感器的误差分析温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极电容传感器由于极板板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将温度变化将导致极导致极板板间隙间隙发生发生较大的相对变化较大的相对变化，从而

50、产生很大的温度误从而产生很大的温度误差。差。在设计电容式传感器时在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数适当选择材料及有关结构参数，从，从而实现而实现温度误差温度误差的的补偿补偿。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路电容传感器的误差分析温度对介质的影响温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而温度对介电常数的影响随介质不同而变化，变化，空气及云空气及云母的介电常数温度系数近似为零母的介电常数温度系数近似为零，而某些液体介质而某些液体介质，如硅油、医麻油、煤油等如硅油、医麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的

51、温度系数可达大。例如煤油的介电常数的温度系数可达0.07%/0.07%/，若环境温度变化将带来温度误差若环境温度变化将带来温度误差，故采用此类介质时故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。必须注意温度变化造成的误差。 第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路电容传感器的误差分析边缘效应边缘效应当极板厚度与极距之比相对较大时当极板厚度与极距之比相对较大时，边缘效应的影边缘效应的影响就不能忽略响就不能忽略。危害：危害：边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。而且产生非线性。消除措施：消除措施：1.1.增大初始电容增大初

52、始电容 2. 2.加装等位环，加装等位环，如如左左图所示。图所示。带有保护环的电容传感器原理结构带有保护环的电容传感器原理结构 第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路电容传感器的误差分析寄生电容的影响寄生电容的影响 产生原因：极板与周围物体及电缆本身均产生产生原因：极板与周围物体及电缆本身均产生电容，电容，与传感器电容相并联与传感器电容相并联，严重影响严重影响传传感器感器的输出特性的输出特性。 消除措施：消除措施：1.1.整体屏蔽法整体屏蔽法整体整体屏蔽屏蔽的的关键在于正确选取接地点关键在于正确选取接地点。整体屏蔽法是一种较好的整体屏蔽法是一种较好的方法方法，但将使

53、总体结构复杂化。但将使总体结构复杂化。 但仍存在问题但仍存在问题：(1)当当屏蔽屏蔽线很长，其本身电容很大，且大于传感线很长，其本身电容很大，且大于传感器电容量，导致传感器灵敏度下降；器电容量，导致传感器灵敏度下降；(2)(2)电缆电容量因放置位置电缆电容量因放置位置和形状的不同而不同，造成传感器特性不稳定和形状的不同而不同，造成传感器特性不稳定。第五章第五章 电容传感器电容传感器第二节 电容传感器的测量转换电路电容传感器的误差分析寄生电容的影响寄生电容的影响优点：优点：消除了芯线对内屏蔽消除了芯线对内屏蔽层层的容性漏电的容性漏电，克服了寄生电容的影响克服了寄生电容的影响；驱动放大器是一驱动放

54、大器是一个输入阻抗很高个输入阻抗很高、具有容性负载具有容性负载、放大倍放大倍数为数为1 1的同相放大器的同相放大器。缺点：缺点：要在很宽的频带上严格实现放大倍要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于数等于1 1，且输出与输入的相移为零。且输出与输入的相移为零。2.2.驱动电缆法驱动电缆法 是一种等电位屏蔽法是一种等电位屏蔽法，是解决电缆电容影响，是解决电缆电容影响问题的有效办法。问题的有效办法。如如右右图图所示所示。在电容传感器在电容传感器与测量电路的前置级之与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为并接入增益为1 1的驱动的驱动放大器放大器。驱动电缆法原理驱动电缆法原

55、理 第五章第五章 电容传感器电容传感器第五节 电容压力传感器在测量地面沉降中的应用技术指标水井最大深度：水井最大深度：70m最小地下水埋深：最小地下水埋深：10m最大地下水埋深：最大地下水埋深：50m最大水位变率：不大于最大水位变率：不大于0.1m/min水位测量允许误差：水位测量允许误差：0.2m验收标准：符合验收标准：符合GB/T11828.2国家标准国家标准第五章第五章 电容传感器电容传感器第五节 电容压力传感器在测量地面沉降中的应用水井水位测量方案压力法采用投入式压力变送器来测量井底的水压，通过一定压力法采用投入式压力变送器来测量井底的水压，通过一定的换算公式得到水井的水位。压力变送器

56、无活动部件，可靠的换算公式得到水井的水位。压力变送器无活动部件，可靠性高，使用寿命长，能直接投入被测介质中，从水、油到黏性高，使用寿命长，能直接投入被测介质中，从水、油到黏度较大的糊状物都可以进行高精度的测量，不易受被测介质度较大的糊状物都可以进行高精度的测量，不易受被测介质气泡、沉积、污泥的影响，安装也很方便。本项目选用投入气泡、沉积、污泥的影响，安装也很方便。本项目选用投入式压力变送器来测量水井水位。式压力变送器来测量水井水位。第五章第五章 电容传感器电容传感器第五节 电容压力传感器在测量地面沉降中的应用投入式压力变送器的选型陶瓷电容式液位变送器陶瓷电容式液位变送器被测介质的压力直接作用于传感器的陶瓷圆膜片，使膜片上被测介质的压力直接作用于传感器的陶瓷圆膜片，使膜片上产生与介质压力成正比的微小位移。在额定工作状态下，膜产生与介质压力成正比的微小位移。在额定工作状态下，膜片最大位移不大于片最大位移不大于0.05mm。内置温度传感