石大传感器与检测技术课件06电容式传感器

2026/7/191电容式传感器

本章学习电容传感器的原理及应用，还涉及压力、位移的测量方法。2026/7/192工作原理电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化。平板电容器的电容式中ε0—真空的介电常数，(ε0=8.854×10-12F/m）；

S—极板的遮盖面积（m2)；

ε—极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；

d—两平行极板间的距离（m）。根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器(S)变介质型电容传感器(ε)2026/7/193一、变面积型电容传感器角位移型电容式传感器。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为s=ar2/2，平面线位移型电容式传感器圆柱线位移型电容式传感器2026/7/194变面积式电容传感器的特性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、尺寸等参量。试画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！2026/7/195二、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，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。

注:实际使用时，总是使初始极距d0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2026/7/196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d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？2026/7/197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。三、变介电常数式电容传感器

表

几种介质的相对介电常数2026/7/198变介电常数式电容传感器的用途

根据前面的表，分析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，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？2026/7/199变介电常数式电容传感器可用来测量物位或液位,也可以测量位移.如含水的被测物（例如饲料、谷物等的物位）。

2026/7/1910变极距(d)型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)2026/7/1911电容式传感器测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。二极管双T形交流电路运算放大器式电路脉冲宽度调制电路调频电路2026/7/1912二极管双T形交流电路当传感器没有输入时，

C1＝C2一个周期内流过负载的平均电流为0当传感器有输入时，C1或C2变化2026/7/1913

运算放大器式测量电路对平板电容器：输出电压与输入位移间存在线性关系2026/7/1914脉冲宽度调制电路

2026/7/1915

脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而改变，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。脉冲宽度调制电路如前图所示。C1充电，VF。当VF>Vref时，D=0Q=0，信号反转，Q=1。C1经D1放电。C2充电，VG。当VG>Vref时，D=0Q=0，Q=1，再次反转。C2经D2放电。设双稳态触发器输出高电平U1，低电平02026/7/1916调频电路C＝C0+C1+Cc传感器电容Co谐振回路中的微调(固定)电容C1传感器电缆分布电容Cc

2026/7/1917振荡器输出的高频电压是一个受被测量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中变换为电压幅度的变化，经过放大器放大后就可用仪表来指示。电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容传感器工作时，传感器电容C0发生变化，使振荡器的频率f发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就实现了C／f的变换，故称为调频电路。高品质因数（Q）的LC振荡电路，Q=1/（ωCR）。

2026/7/1918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x、相对面积A和极间介电常数

。固定其中两个变量，电容量C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、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量电测的目的。

2026/7/1919

电容式压力传感器当被测压力(或压差)通过过滤器进入空腔时，弹性膜片两侧的压力差使膜片凸向一侧。这一位移使两个镀金玻璃圆片与膜片之间的电容量发生变化，经过测量电路再转换成相应的电压或电流变化。当两极板之间的距离过很小时，压力和电容之间为线性关系。电容式压力传感器2026/7/1920电容式差压变送器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的位置2026/7/1921各种电容式压力变送器外形（续）（参考丹东长隆自控有限公司资料）法兰2026/7/1922各种电容式压力变送器外形（续）2026/7/1923加速度传感器2026/7/1924例硅微加工加速度传感器

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（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，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度的PWM脉冲。2026/7/1925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：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%2026/7/1926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）2026/7/1927

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C1、C2。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，C1、C2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ΔC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，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g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，就可以测量三维方向的振动或加速度。2026/7/1928湿度测量湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。湿敏电容模块及传感器外形2026/7/1929电容式位移传感器2026/7/1930电容式接近开关齐平式非齐平式2026/7/1931

电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示在测量含水绝缘介质时才应选择电容式接近开关。该图是利用电容式接近开关测量谷物高度（物位）的示意图。当谷物高度达到电容式接近开关的底部时，电容式接近开关产生报警信号，关闭输送管道的阀门。

2026/7/1932习题：一、填空题1、电容式传感器是将__________________________________________的一种传感器。2、电容式传感器有三种类型，它们是__________________型、________________型、_______________型。3、在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，变极距电容传感器极板间常采用___________________