参量传感器之电容式超声波专家讲座

第6章电容式传感器、超声波传感器及液位检测参量传感器之电容式超声波专家讲座第1页参量传感器之电容式超声波专家讲座第2页参量传感器之电容式超声波专家讲座第3页电容式传感器电容传感器液位计P32电容式传感器经过电容传感元件将被测物理量改变转换为电容量改变，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。参量传感器之电容式超声波专家讲座第4页一、工作原理及结构形式电容传感器理想公式为

d——极板间距离；

A——极板面积；ε——电容极板间介质介电常数；εr

——相对介电常数电容式传感器ε0——真空介电常数。参量传感器之电容式超声波专家讲座第5页改变d、A、

三个参量中任意一个量，均可使平板电容电容量C

改变。固定三个参量中两个，能够做成三种类型电容传感器。

电容传感器声波测量动画演示参量传感器之电容式超声波专家讲座第6页参量传感器之电容式超声波专家讲座第7页1．变极距式电容传感器变极距式电容传感器原理动画演示设ε和A不变，初始状极距为d0时，电容器容量为C0。若动极板有位移，使极板间距离减小x，则电容则增大到cx。参量传感器之电容式超声波专家讲座第8页变极距式电容传感器结构及特征曲线结构示意图1－定极板2－动极板

电容量与极板距离关系电容与位移不是线性关系。为了提升测量灵敏度，减小非线性误差，实际应用时常采取差动式结构。参量传感器之电容式超声波专家讲座第9页2．变面积式电容式传感器参量传感器之电容式超声波专家讲座第10页

图a是平板直线位移式变面积型传感器，极板尺寸如图所表示，动极板做直线运动，改变了两极板相对面积，引发了电容量改变。当动极板随被测物体产生位移x后。此时电容量为

参量传感器之电容式超声波专家讲座第11页

图b是同心圆桶式变面积型传感器，外圆桶不动，内圆桶在外圆桶内做上、下直线运动。设内、外圆桶半径分别为r、R，内、外圆桶原来重合长度为h。当内桶向下产生位移后x，两个同心圆桶重合面积减小，引发了电容量随之减小。此时电容量为参量传感器之电容式超声波专家讲座第12页

变面积式电容传感器输出特征是线性，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。xθa))/1()/1(00pqpqee-=-==CdSCdSCx

图C为角位移式变面积型传感器，动极板可围绕定极板旋转形成角位移。设两极板初始重合角度为，动极板随被测物体带动产生一个角位移，两个极板重合面积减小，因而电容量随之减小。此时电容量为

参量传感器之电容式超声波专家讲座第13页3．变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器原理动画演示参量传感器之电容式超声波专家讲座第14页因为各种介质介电常数不一样，假如在电容器极板之间插入不一样介质，电容器电容量就会改变。常被用来测量液体液位和材料厚度。还可依据极板间介质介电常数随温度、湿度、改变而改变来测量温度、湿度等。右图为电容液位计原理图。当被测绝缘液体液面在两个同心圆金属管状电极间上下改变时，引发两极间不一样介质高度发生改变，从而造成总电容量改变。

参量传感器之电容式超声波专家讲座第15页经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表示式表示：其中A、B均为与结构和介质相关常数参量传感器之电容式超声波专家讲座第16页例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体εr

＝2.1。计算传感器最小电容和最大电容以及储存灌内传感器灵敏度(pF/L)。解：参量传感器之电容式超声波专家讲座第17页三种电容式传感器比较表类型变间隙变面积变介电常数应用场所线位移角位移或较大线位移物位、湿度、密度是否线性非线性关系。灵敏度也不是常数。线性关系

线性关系

参量传感器之电容式超声波专家讲座第18页1．变压器电桥电路二、测量转换电路参量传感器之电容式超声波专家讲座第19页缺点：因为电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能区分位移方向。对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：

优点：把变间隙式电容传感器位移与电容非线性关系

转化为位移与输出电压线性关系。可得：参量传感器之电容式超声波专家讲座第20页2．调频电路参量传感器之电容式超声波专家讲座第21页图为一个差动脉冲宽度调制电路。图中C1和C2为传感器两个差动电容。线路由两个电压比较器A1和A2，一个双稳态触发器和两个充放电回路R1C1和R2C2(R1=R2)所组成；Uref为参考直流电压；双稳态触发器两输出端电平由两比较器控制。当接通电源后，若触发器Q端为高电平，

端为低电平(0)，则触发器经过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Uref相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为高电平。此时，由电容C1经过二极管D1快速放电至零，而触发器由B端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Uref相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。能够看出，电路充放电时间，即触发器输出方波脉冲宽度受电容C1、C2调制。当C1=C2时，Q和两端电平脉冲宽度相等，两端间平均电压为零。当C1>C2时，Q、两端间平均电压(经一低通滤波器)为3．脉冲宽度调制电路参量传感器之电容式超声波专家讲座第22页tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0参量传感器之电容式超声波专家讲座第23页脉冲调宽电路含有以下五方面特点：①消除了非线性；②不需要相敏检波即能取得较大直流输出；③电路只采取直流电源，不需要频率发生器；④频率对输出无影响；⑤对输出矩形波纯度要求不高。公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出是交流电，而脉冲调宽电路输出是直流电。参量传感器之电容式超声波专家讲座第24页1．压力测量电容式压力传感器结构图三、电容式传感器应用参量传感器之电容式超声波专家讲座第25页高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片位置电容式差压变送器外形图参量传感器之电容式超声波专家讲座第26页电容式差压变送器内部结构图

1－高压侧进气口

2－低压侧进气口

3－过滤片

4－空腔

5－柔性不锈钢波纹隔离膜片

6－导压硅油

7－凹形玻璃圆片

8－镀金凹形电极

9－弹性平膜片

10－

腔参量传感器之电容式超声波专家讲座第27页各种电容式差压变送器外形图参量传感器之电容式超声波专家讲座第28页利用电容差压变送器测量液体液位差压变送器施加在高压侧腔体内压力与液位成正比：p=

gh参量传感器之电容式超声波专家讲座第29页投入式电容水位计外形图参量传感器之电容式超声波专家讲座第30页家用电器压力检测示意图参量传感器之电容式超声波专家讲座第31页2．加速度测量电容传感器加速度测量动画演示参量传感器之电容式超声波专家讲座第32页电容式加速度传感器1－绝缘体2－固体电极3－质量块（动电极）4－弹簧片参量传感器之电容式超声波专家讲座第33页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）参量传感器之电容式超声波专家讲座第34页硅微加工电容加速度传感器参量传感器之电容式超声波专家讲座第35页微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g

量程：10g频率范围：0.5-Hz安装谐振点:8kHz

分辨力：0.00004g

重量：200g

安装螺纹：M5mm

线性误差：≤1%参量传感器之电容式超声波专家讲座第36页加速度传感器在汽车中应用装有传感器假人气囊参量传感器之电容式超声波专家讲座第37页汽车气囊保护作用使用加速度传感器能够在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊快速充气。参量传感器之电容式超声波专家讲座第38页利用加速度传感器实现延时起爆钻地炸弹传感器安装位置参量传感器之电容式超声波专家讲座第39页3．转速测量电容传感器转速测量动画演示参量传感器之电容式超声波专家讲座第40页

电容料位测量示意图1－极棒2－容器壁4．料位和液位测量AM90系列电容物位仪

参量传感器之电容式超声波专家讲座第41页聚四氟乙烯外套液位计设定按钮参量传感器之电容式超声波专家讲座第42页电容式油量表原理图

参量传感器之电容式超声波专家讲座第43页5．电容式靠近开关被检测物体能够是导电体、介质损耗较大绝缘体、含水物体（比如饲料、人体等）；能够是接地，也能够是不接地。调整靠近开关尾部灵敏度调整电位器，能够依据被测物不一样来改变动作距离。参量传感器之电容式超声波专家讲座第44页电容式靠近开关外形图齐平式非齐平式参量传感器之电容式超声波专家讲座第45页M18M30Ø40mm40mmx

40mm工作距离5mm10mm20mm20mm工作电压10-65VDC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC导线数量3线制2、4线制2、4线制2、4线制输出pnppnppnppnp常开触点常开、常闭触点，常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点安装嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式连接电缆电缆接线端子格接线端子格接线端子格SIMATICPXC200电容式靠近开关使用一览表参量传感器之电容式超声波专家讲座第46页电容式靠近开关SIMATICPXC是非接触型传感器，适合用于含有各种形状和表面导电和非导电金属，可测量传导和非传导性物料，如固体、粉末或液体等。奶盒中牛奶检测参量传感器之电容式超声波专家讲座第47页电容式靠近开关在液位测量控制中使用参量传感器之电容式超声波专家讲座第48页

电容式靠近传感器是一个以电极为检测端静电电容式靠近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图所表示。平时检测电极与大地之间存在一定电容量，它成为振荡电路一个组成部分。当被检测电极靠近检测电极时，因为检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上电荷就越多，因为检测电极静电电容为C=Q/V，所以电荷增多，使检测电极电容C随之增大，进而又使振荡电路振荡减弱，甚至停顿振荡。振荡电路振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。电容式靠近传感器检测被测物体是金属导体，非金属导体不能用该方法测量。参量传感器之电容式超声波专家讲座第49页图是电容式靠近传感器电路图。C1与L1组成并联谐振电路，L2和VT形成共基接法，C4是反馈电容，C5是耦合电容，R3与C3形成去藕电路。R1和R2是偏置电阻，它们与C2形成选频网络。电位器用于调整靠近距离。VD1与VD2组成检波电路。C6是检波电容，C0是靠近物与金属棒形成电容。若被测物靠近金属棒，C0变大，与C4并联后使反馈电容增加，从而减弱振荡，经VD1，VD2检波后，输出电压为低电平。不然，振荡器正常振荡，输出高电平。

电容式靠近传感器电路图参量传感器之电容式超声波专家讲座第50页电容指纹识别动画演示6．其它测量参量传感器之电容式超声波专家讲座第51页电容角位移测量动画演示参量传感器之电容式超声波专家讲座第52页电容传感器地应力测量动画演示参量传感器之电容式超声波专家讲座第53页电容地应力传感器安装动画演示参量传感器之电容式超声波专家讲座第54页三星SPH－V6800手机采取电容传感器控制一些功效，取代了部分机械按键参量传感器之电容式超声波专家讲座第55页参量传感器之电容式超声波专家讲座第56页超声波传感器超声波传感器参量传感器之电容式超声波专家讲座第57页P53一、超声波传输特征1.什么是超声波？人耳能够听到机械波，频率在16Hz～20kHz之间，称为声波。人耳听不到机械波，

频率高于20kHz称为超声波；超声波频率越高，就越靠近光学反射、折射等特征。

频率低于16Hz称为次声波。参量传感器之电容式超声波专家讲座第58页2．超声波波形

因为声源在介质中施力方向与波在介质中传输方向不一样，超声波波形也不一样。通常可分为以下几个：1）纵波：

质点振动方向与波传输方向一致波，它能在固体、液体和气体中传输；2）横波：

质点振动方向垂直于波传输方向波，它只能在固体中传输；3）表面波：

质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传输，振幅随深度增加而快速衰减波。表面波轨迹是椭圆形，质点位移长轴垂直于传输方向，质点位移短轴平行于传输方向。因为表面波随深度增加而衰减很快，所以只能沿着固体表面传输。参量传感器之电容式超声波专家讲座第59页

3.超声波特点

（1）传输速度：超声波传输速度与波长及频率成正比，即声速为C=λf式中，λ为超声波波长；f为超声波频率。（2）超声波衰减：超声波在介质中传输时，因为声波扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传输时衰减公式可写作Ix=I0e-2αx。其中，I0为声源处声强;Ix为距声源x处声强;α为衰减系数（单位为1×10-3dB/mm），水和普通低衰减材料取值α为1～4。

参量传感器之电容式超声波专家讲座第60页

（3）超声波反射与折射：当超声波从一个介质传输到另一个介质时，在两种介质分界面上，会发生反射与折射。一样遵照反射定律和折射定律：入射角与反射角、折射角正弦比等于入射波速与反射波速、折射波速之比。

1）反射定律

入射角α正弦与反射角α‘正弦之比等于入射波与反射波速度之比。当反射波与入射波同处于一个介质中时，因波速相同，则反射角α‘等于入射角α。参量传感器之电容式超声波专家讲座第61页（4）超声波波形转换：若选择适当入射角，使纵波全反射，那么在折射中只有横波出现；假如横波也全反射，那么在工件表面上只有表面波存在。2）折射定律

当波在界面上产生折射时，入射角α正弦与折射角β正弦之比等于入射波在第一个介质中波速C1与在第二种介质中波速C2之比，即：

压电式超声波传感器惯用材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料压电效应来工作：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。参量传感器之电容式超声波专家讲座第62页二、空气中传输超声波传感器及其基本电路1.遥控用超声波传感器超声波遥控电路采取专用在空气中传输超声发射器（用符号T表示）与接收器(用符号R表示)成对配套使用。它所发射超声波采取固定中心频率，谐振频率f0普通为40kHz。这种传感器有一个单峰特征，即在中心频率f0处灵敏度最高，输出信号幅度最大，接收器接收灵敏度最高，而在中心频率两侧则快速衰减。因为超声波接收器含有很好选频特征，所以在组成电路系统时，无须另设选频网络。因为发射器需要发射出强度较高超声波信号，所以它灵敏度大于100dB。接收器应能良好地接收超声波信号，所以它灵敏度大于－60dB。

参量传感器之电容式超声波专家讲座第63页2.超声波发射电路P55图是由数字集成电路组成超声波振荡电路，振荡器产生高频电压经过耦合电容CP供给超声波振子MA40S2S。CC4049H1和H2产生与超声波频率相对应高频电压信号，H3～H6进行功率放大，再经过耦合电容CP传给超声波振子MA40S2S。

数字式超声波振荡电路

参量传感器之电容式超声波专家讲座第64页采取脉冲变压器超声波振荡电路

图是采取脉冲变压器超声波振荡电路实例。电路中用NPN晶体管V放大频率可调振荡器OSC输出信号，放大信号经