第5章电容传感器

1、2008-10-3 1 自动检测与转换技术自动检测与转换技术2008-10-3 2 第五章 电容传感器1、了解电容传感器的工作原理；、了解电容传感器的工作原理； 2、掌握电容传感器的应用；、掌握电容传感器的应用； 3、了解电容接近开关的原理及应用；、了解电容接近开关的原理及应用； 4、了解流量的测量方法。、了解流量的测量方法。 2008-10-3 3 第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式0 rAACdd 电容式传感器的电容值变化的工作原理可以通过如电容式传感器的电容值变化的工作原理可以通过如图所示的平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，电容图所示的平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，电容器的

2、电容值为器的电容值为 式中 A两极板相互遮盖的有效面积； d两极板间的距离，也称为极距； 两极板间介质的介电常数； r两极板间介质的相对介电常数 0真空的介电常数 结论：在结论：在A、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量可使电容量C改变。也就是说，电容量改变。也就是说，电容量C是是A、d、的函数，的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。变面积式、变极距式、变介电常数式。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？上式中，哪几个参量

3、是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？2008-10-3 4 一、变面积式电容传感器000()(1)XXb axAxCCaeedd= 如图是平板形直线位移式结构，如图是平板形直线位移式结构，其中极板其中极板1可以左右移动，称为动极可以左右移动，称为动极板。极板板。极板2固定不动，称为定极板。固定不动，称为定极板。 设两极板原来的遮盖长度为设两极板原来的遮盖长度为a0,极板宽度为极板宽度为b,极距为极距为d，极板，极板间介质的介电常数为间介质的介电常数为。当动极。当动极板随被测物体移动板随被测物体移动x时，电容量时，电容量将随之改变。电容值为将随之改变。电容值为 式中，C0初始电容值，C0=b

4、a0/d)1 ()(000axCdxabdACXX 从式中可知，增大极板长度从式中可知，增大极板长度b，减小极距，减小极距d，可提高，可提高灵敏度。但极距不可太小，否则容易引起短路。灵敏度。但极距不可太小，否则容易引起短路。 2008-10-3 5 如图是同心圆筒形变面积式传如图是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。筒内作上、下直线运动。式中x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度（m)； r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径（m)。 x变化时，电容量变化，灵敏度为变化时，电容量变化，灵敏度为圆柱线位移型电容器

5、的电容为:12/ln2rrxC 2008-10-3 6 如图是一个角位移式的结构。如图是一个角位移式的结构。极板极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一的轴由被测物体带动而旋转一个角位移个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因而电容量也随之减小。就减小，因而电容量也随之减小。 当覆盖面积对应的中心角为当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为极板半径为r时，覆盖面积为时，覆盖面积为：电容量为：电容量为：其灵敏度为其灵敏度为 上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于成线

6、性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。较大角位移及直线位移的测量。 2008-10-3 7 二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离极板之间的距离 ，从而使电容量发生变化。，从而使电容量发生变化。 实际使用时，总是使初始极距实际使用时，总是使初始极距 0尽量小些，以提高灵尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。 根据式根据式如果如果 S 、 不变，当不变，当变化，引起电容量的变化变化，引起电容量的变化

7、为：为： 传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为： 2008-10-3 8 变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小些还是小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较小时，它的测量较小时，它的测量范围变大还是变小？范围变大还是变小？ 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 2008-10-3 9 差动电容传感器差动电容传感器 为了提高传感器的灵敏度，减小非线性为了提高传感器的灵敏度，减小非线性 ，常

8、采用差动结构常采用差动结构外界的影响诸如温度、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消等也基本能相互抵消 2008-10-3 10 三、变介电常数式 当相对介电常数为当相对介电常数为r的的介电质的厚度为介电质的厚度为时，其电时，其电容值为容值为 0 00()()rbCllleed=-+x ）（ 153 0 xxabC2008-10-3 11 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器因为各种介质的相对介电常数不同，所以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。两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。 表表5-1 5-1 几种介质的相

9、对介电常数几种介质的相对介电常数 根据根据表表5-15-1，分析，分析不同介质对变介电常数电容器的影不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？2008-10-3 12 一一、桥式电路、桥式电路 CCCCCCxx0201第二节 电容式传感器的测量转换电路 图图（b）中，设）中，设 图图a)为单臂接法的桥式测量电路，电路中的高频电源经为单臂接法的桥式测量电路，电路中的高频电源经变压器接到电容电桥的一条对角线上，电容变压器接到电容

10、电桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、CX构成电桥电路的构成电桥电路的4个桥臂，其中个桥臂，其中CX为电容传感器。当无信为电容传感器。当无信号输入时，交流电桥平衡，即号输入时，交流电桥平衡，即C1/C2=CX/C3，输出电压，输出电压=0。当当CX改变时，则改变时，则 U0 0，有电压输出。，有电压输出。 2008-10-3 13 缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别位移方向。位移方向。 对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得： ），（其中ddACddACxx020102dd

11、UUo优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。转化为位移与输出电压的线性关系。 02CCUUo可得：可得： 22UUUxCo2221UZZZUxxxCCC21212xxxxCCCCU2111221UCjCjCjUxxx2008-10-3 14 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 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生发生变化，就使振荡器的频率变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。产生相应的变化。 电

12、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 5-22fLC二、二、调频电路调频电路2008-10-3 15 第三节 电容式传感器的应用 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、相对面积、相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两。固定其中两个变个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、只要想办法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介电常数的变

13、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。电参数来达到非电量电测的目的。 2008-10-3 16 一、电容测厚仪 电容测厚仪可以用电容测厚仪可以用来测量金属带材在扎制来测量金属带材在扎制过程中的厚度的仪器，过程中的厚度的仪器，其工作原理如图所示。其工作原理如图所示。 1-金属带材金属带材 2-电容极板电容极板 3-传动轮传动轮 4-轧棍轧棍 返返 回回 测测厚时，在被测金属带材的上、下两侧各安装一厚时，在被测金属带材的上、下两侧各安装一块面积块面积相等、与带材距离相等的极板，这样金属带材的上下两个相等、与带材距离相等的极板，这样金属带材的上下两个表面与上下两个极板分别形成电容

14、。其总的电容量表面与上下两个极板分别形成电容。其总的电容量C C就应是就应是两个极板的电容之后（两个极板的电容之后（C=CC=C1 1+C+C2 2）。如果带材的厚度发生变）。如果带材的厚度发生变化，用交流电桥将这一变化检测出来，然后经放大就可以化，用交流电桥将这一变化检测出来，然后经放大就可以在相应的显示仪表上把带材的厚度变化显示出来在相应的显示仪表上把带材的厚度变化显示出来2008-10-3 17 二、硅微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 1 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

15、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） 在硅衬底上，制造出三个多晶在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定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。其左端固定在衬下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。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封装在同一壳体中的信

16、号处理电路将将C C 转换成直流输出电压。它的转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。成度很高。2008-10-3 18 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。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，当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器微处理器据此判断据此判断发生了碰发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感装

17、有传感器的假人器的假人气囊气囊2008-10-3 19 利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置2008-10-3 20 三、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电常数大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电容量增），所以电容量增大。大。 2008-10-3

18、 21 四、电容式油量表分析油量表工作原理：分析油量表工作原理： 1、当油箱中无油时，电容传感器的电容量、当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx =Cx 0，调节匹配电容使，调节匹配电容使C0=Cx 0，R4=R3；并使调零电位器；并使调零电位器RP的滑动臂位于的滑动臂位于0点，即点，即RP的电阻值的电阻值为为0。此时，电桥满足。此时，电桥满足Cx /C0=R4 /R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角动机不转动，油量表指针偏转角 =0。2008-10-3 22 2、当油箱中注满油时，液位上升至、当油箱中注满油时，液位上升至h处，处，C

19、x=Cx0+ Cx，而，而 Cx与与h成成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电动机，经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动，从的滑动臂移动，从而使而使RP阻值增大，阻值增大，Rc d =R3+RP也随之增大。当也随之增大。当RP阻值达到一定值时，阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为角为处。处。 3、由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电

20、动机所带动，因此，、由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与的阻值与 间存在着确定的对应关系，即间存在着确定的对应关系，即正比于正比于RP的阻值，而的阻值，而RP的阻的阻值又正比于液位高度值又正比于液位高度h，因此可直接从刻度盘上读得液位高度，因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。2008-10-3 23 4、当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏、当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动，使的滑动臂移动，使RP阻值减小。阻值减小。当当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，阻

21、值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角角处。处。 5、从以上分析得到涉及、从以上分析得到涉及“闭环控制闭环控制”的结论：放大器的非线性的结论：放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。及温漂对测量精度影响不大。 该油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？ 该油量表可用于飞该油量表可用于飞机油箱机油箱2008-10-3 24 五、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘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

22、如饲料、人体等）体、含水的物体（例如饲料、人体等） ；可以是接地的，；可以是接地的，也可以是不接地的。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。位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。 齐平式齐平式非齐平式非齐平式 2008-10-3 25 电容式接近开关在液位测量控制中的使用2008-10-3 26 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示2008-10-3 27 第四节 压力和流量的测量 一、压力的基本概念一、压力的基本概念 物理学中的物理学中的“压强压强”在检测领域和工业中称为在检测领域和工业中称为“压力压力”

23、. 压力分类：压力分类： （1）绝对压力传感器绝对压力传感器 它所测得的压力数值是相对于密封在绝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而言的。当绝对压力小于对压力传感器内部的基准真空而言的。当绝对压力小于101kPa时，可以认为是时，可以认为是“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。 （2）差压传感器差压传感器 差压是指两个压力差压是指两个压力p1和和p2之差，又称为压力之差，又称为压力差。当差压表两侧面均向大气敞开时，差压等于零。差。当差压表两侧面均向大气敞开时，差压等于零。 （3）表压传感器表压传感器 表压传感器常称为压力传感器。它以环境大表压

24、传感器常称为压力传感器。它以环境大气压为参考基准，将差压传感器的一侧向大气敞开，就形成表气压为参考基准，将差压传感器的一侧向大气敞开，就形成表压传感器。压传感器。 2008-10-3 28 二、电容式差压变送器 l差动电容式差压变送器结构的核心部差动电容式差压变送器结构的核心部分是一个变极距差动式电容传感器。分是一个变极距差动式电容传感器。 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柔性不锈钢柔性不锈钢波波 纹隔离膜片纹隔离膜片 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 腔腔当被测压力

25、当被测压力p1、p2由两侧的内螺纹压力由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔，该压力通过不锈接头进入各自的空腔，该压力通过不锈钢波纹隔离膜和导压硅油，传导到钢波纹隔离膜和导压硅油，传导到“腔腔”。弹性平膜片由于受到来自两侧的压。弹性平膜片由于受到来自两侧的压力之差，而凸向压力小的一侧。在力之差，而凸向压力小的一侧。在腔中，腔中，弹性膜片与两侧的镀金定极之间的距离弹性膜片与两侧的镀金定极之间的距离很小（约很小（约0.5mm左右），所以微小的位左右），所以微小的位移（不大于移（不大于0.1mm）就可以使电容量变）就可以使电容量变化化100pF以上。测量转换电路（相敏检以上。测量转换电路（相敏检波器）

26、将此电容量的变化转换成波器）将此电容量的变化转换成420mA的标准电流信号，通过信号电缆的标准电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪表。线输出到二次仪表。2008-10-3 29 各种电容式差压变送器外形 2008-10-3 30 三、利用电容差压变送器测量液体的液位 差压变送器差压变送器 电容差压变送器的高压侧（电容差压变送器的高压侧（p1）进气孔及低压侧）进气孔及低压侧（p2）进气孔通过管道与储液罐相连，就组成差压式液位）进气孔通过管道与储液罐相连，就组成差压式液位计计p1=p0+g (h -h 0） p2=p0则： p = p1-p2= g (h-h0）投入式水位计投入式水位计2008-1

27、0-3 31 四、流量的基本概念 流量的定义流量的定义： 流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别称为体积流量别称为体积流量qV和质量流量和质量流量qm。这种单位时间内的流量统。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量称为瞬时流量q。 把瞬时流量对时间把瞬时流量对时间t进行积分，求出累计体积或累计质量进行积分，求出累计体积或累计质量的总和，称为累积流量，也叫总量。的总和，称为累积流量，也叫总量。 流速法测量流量流速法测量流量：流速：流速v越快，瞬时流量越大；管道的截面越快，瞬时流量越大；管道的截面积越大，瞬时流量也越大。采用测量流速积越大，瞬