任务电容式传感器精讲课件.ppt

1、2023-1-61任务任务5.15.1 电容传感器电容传感器2023-1-62电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。将被测物理量的变化转换为电容量的变化。特点特点：（1）小功率、高阻抗。）小功率、高阻抗。（2）小的静电引力和良好的动态特性。）小的静电引力和良好的动态特性。（3）本身发热影响小。）本身发热影响小。（4）可进行非接触测量。）可进行非接触测量。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。度和成分含量等测量之中。2023-1-

2、63第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式 上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？几种类型的电容传感器？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2023-1-64电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为0rSSCdd+Srd_第一节第

3、一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式2023-1-65第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式 改变改变A A、d d、三个参量中的任意一个量，均可使三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量平板电容的电容量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。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(1)极距变化型电容传感器；极距变化型电容传感器；(2)面积变化型电容传感器；面积变化型电容传感器；(3)介质变化型电容传

4、感器。介质变化型电容传感器。2023-1-66 上图是用以测量线位移上图是用以测量线位移(a，b，c)以及角位移以及角位移(d)的电容传感元件的电容传感元件 它们都是将位移变为电容器相互覆盖面积的变化它们都是将位移变为电容器相互覆盖面积的变化 为了提高灵敏度，可以采用为了提高灵敏度，可以采用多片式多片式(a)、差动式差动式(b)、多齿式多齿式(c)或或角位移式角位移式(d)。上式中上式中电容的变化电容的变化与与两极板相互覆盖的面积两极板相互覆盖的面积成成线性线性关系关系 所以该方案较之所以该方案较之变极距型变极距型方案在此方面有可取之处方案在此方面有可取之处。0SCeed=（c）（d）2023

5、-1-67一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图固定不动，称为定极板。图b b是同心圆筒形是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图线运动。图c c是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板2 2的轴由被测物体带的轴由被测物体带动而旋转一个角位移动而旋转一个角位移 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，因就减小，因

6、而电容量也随之减小。而电容量也随之减小。2023-1-682023-1-69(1)线位移型线位移型Sdaxbx线位移型电容传感器原理图线位移型电容传感器原理图2023-1-610动极板沿定极板移动动极板沿定极板移动x，则电容量变化为：，则电容量变化为：000CdbxaCCCr式中；式中；C0=0r b a/d 为初始电容，为初始电容，电容相对变化量为：电容相对变化量为：axCC0显然，显然，C与与动极板位移动极板位移x呈呈线性线性关系关系Sdaxbx2023-1-611(2)角位移型角位移型动极板动极板定极板定极板电容式角位移传感器原理图电容式角位移传感器原理图2023-1-612 当动极板产

7、生角位移当动极板产生角位移时时,与定极板间的有效覆盖面积改变与定极板间的有效覆盖面积改变,两极板间的电容量改变。两极板间的电容量改变。当当=0 时时,0000rSC 式中式中:r 介质相对介电常数介质相对介电常数;0 两极板间的距离两极板间的距离;S0 两极板间初始覆盖面积。两极板间初始覆盖面积。当当0时时,则则:000001rSCCC 可见，可见，电容的变化电容的变化C=-C0(/)与与角位移角位移成成线性线性关系。关系。动极板动极板定极板定极板2023-1-613(3)(3)圆柱位移型圆柱位移型 D H h圆柱位移型电容传感器原理结构示意图圆柱位移型电容传感器原理结构示意图2023-1-6

8、14当当h=0 时时,02lnHCD 于是：于是：HhCCC00002lnhhChCCDHCH 可见，可见，电容量的变化电容量的变化C与与高度的变化高度的变化 h 呈呈线性线性关系。关系。D H h2023-1-615二、变极距式电容传感器二、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，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改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量，从而使电容量发生变化。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d0尽量尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极小些，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。距式电

9、容器的行程较小的缺点。2023-1-616一、变间隙（极距）型电容传感器一、变间隙（极距）型电容传感器变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器 2023-1-617 当传感器的当传感器的r和和S为常数，初始极距为为常数，初始极距为d0时，可时，可知其初始电容量知其初始电容量C0为为 000dSCr 若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d0缩小了缩小了d，电容量增大了电容量增大了C，则有，则有000001rSCCCCdddd 2023-1-618电容量与极板间距离的关系电容量与极板间距离的关系 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应当使从图中可以看到，为了提高灵敏度，应当使d d0

10、0小小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较较小时，它的测量范围变大还是变小？小时，它的测量范围变大还是变小？2023-1-619若若d/d01时，则展成级数：时，则展成级数：2300000011ddddCCCdddd 此时此时C与与d近似呈线性关系，所以近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只变极距型电容式传感器只有在有在d/d0很小时，很小时，才有才有近似近似的的线性线性关系关系。另外，电容式传感器的灵敏度为：另外，电容式传感器的灵敏度为：可见，要提高灵敏度，应减小可见，要提高灵敏度，应减小d0。但。但d0过小，容易引起电容过小

11、，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。间加云母、塑料膜等介质。00ddCC00dCdCSn2300000011ddddCCCdddd00ddCC2023-1-620 云母的相对介电常数（云母的相对介电常数（g=7）是空气介电常）是空气介电常数（数（0=1）的）的7倍，云母的击穿电压倍，云母的击穿电压1000kv/mm，而，而空气的击穿电压只有空气的击穿电压只有3kv/mm。因此有了云母片极板。因此有了云母片极板间的起始间距间的起始间距 可大大减小。极大地提高了电容式传可大大减小。极大地提

12、高了电容式传感器的灵敏度感器的灵敏度Sn。2023-1-621gdgd00放置云母片的电容器放置云母片的电容器 一般电容式传感器的起始电容在一般电容式传感器的起始电容在20pF30pF之间，极板之间，极板间距离在间距离在25m200m 的范围内。最大位移应小于间距的的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在故在微位移测量微位移测量中应用最广。中应用最广。定极板定极板动极板动极板2023-1-622电容式传感器的相对非线性误差电容式传感器的相对非线性误差：上述等式成立的条件是：上述等式成立的条件是：d/d01时，高次项省略，时，高次项省略，若保留二次项，则有：若保留二次项，则有：00dCdCS

13、n)1(000ddddCC可得其相对非线性误差为可得其相对非线性误差为：%100/%100/0020dddddd）（可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线，但此时相对非线性误差性误差增大。所以为使二者兼得，常采用增大。所以为使二者兼得，常采用差动式结构差动式结构，即使，即使其中一个电容器的电容其中一个电容器的电容C1随位移随位移d增加，而另一个电容器的电增加，而另一个电容器的电容容C2则减小。则减小。电容式传感器的灵敏度为：电容式传感器的灵敏度为：2023-1-623为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外为提高灵敏度和线性度，克服

14、电源电压、环境温度变化等外界条件影响，常采用界条件影响，常采用差动式差动式电容传感器电容传感器上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。减或反之。差动式结构差动式结构12S差动平板式电容传感器结构差动平板式电容传感器结构2023-1-6242023-1-625当动极板向上位移当动极板向上位移时：时：电容器电容器C1的间隙的间隙1变为变为0；电

15、容器电容器C2的间隙的间隙2变为变为0+；则：则：20011CC10011CC2023-1-62623100001()().CC23200001()().CC电容值总的变化量为：电容值总的变化量为：24000021()().CC电容值相对变化量为：电容值相对变化量为：在在/0 0 1 1时，按级数展开：时，按级数展开：3512000022()2().CCCC2023-1-62724000021()().CC若，只保留上式中的线性项和三次项若，只保留上式中的线性项和三次项,电容式传感器的电容式传感器的相对非线性误差相对非线性误差为：为：32002()100%()100%2()差动式电容传感器差动

16、式电容传感器灵敏度灵敏度是原来的是原来的2倍倍 零点附近的零点附近的非线性误差非线性误差大大大大降低降低。2023-1-628例例:解：解：1）2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格格PF01.03.0/10*213.0/10*2*48.1/1/PF48.110*3.0)10*4(*1085.8330003231220ddddCCdrdSC 一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初，工作初始间隙始间隙d=0.3mm，介电常数，介电常数=8.8510-12F/m，试求：，试求：1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量工作中，若传感器与工件的

17、间隙减小量d=2m,电容变化量电容变化量是多少是多少?2)若测量电路的灵敏度若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF,读数仪表的灵敏度读数仪表的灵敏度S2=5格格/mv,当当d=2m,时，读数仪表示值变化多少格时，读数仪表示值变化多少格?2023-1-629常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。用途：用途：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度测量纸张、绝缘薄膜等的厚度测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度三、变介电常数式传感器三、变介电常数式传感器 2023-1-630两平行电极固定不动，极距为两

18、平行电极固定不动，极距为d0将相对介电常数为将相对介电常数为r2的电介质插入电容器的电介质插入电容器深度不同时，改变两种介质的极板覆盖面积深度不同时，改变两种介质的极板覆盖面积传感器总电容量传感器总电容量C为：为：00002121)(dLLLbCCCrr式中式中:L0,b0 极板长度和宽度极板长度和宽度;L第二种介质进入极板间的长度。第二种介质进入极板间的长度。若电介质若电介质r1=1,当当L=0时时,传感器初始电容传感器初始电容:C0=0r L0b0/d0。当介质当介质r2 进入极间进入极间L后后,引起电容的相对变化为引起电容的相对变化为:0000)1(2LLCCCCCr可见可见,电容的变化

19、电容的变化C与电介质与电介质r2的的移动量移动量 L 呈呈线性线性关系。关系。2023-1-631(2)液位传感器液位传感器下图是改变极板间下图是改变极板间介质介质的电容式传感器的一种应用，用的电容式传感器的一种应用，用于测量液位高低，其结构原理图如下：于测量液位高低，其结构原理图如下：dDnHC120式中：式中：C0由传感器的基本尺寸由传感器的基本尺寸 决定的初始电容值；决定的初始电容值；空气介电常数。空气介电常数。2023-1-632被测介质的介电常数为被测介质的介电常数为1，液面高度为液面高度为 h,变换器总高度为变换器总高度为H,内筒外径为内筒外径为 d,外筒外筒内径为内径为 D则此时

20、变换器电容值为：则此时变换器电容值为：dDhHdDhCln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhCln)(2102023-1-633式中：式中：空气介电常数空气介电常数;C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值。由变换器的基本尺寸决定的初始电容值。dDHCln20可见，变换器的可见，变换器的电容增量电容增量C正比于正比于被测液位高度被测液位高度h。dDhCln212023-1-634电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生食

21、品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。选用带同轴接地管全绝缘探头。选用带同轴接地管全绝缘探头。2023-1-635 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电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，电容器的电容量也容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。就不同。表表5-1 5-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数2023-1-636变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 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不同介

22、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？时，哪一种情况下的电容量大？2023-1-6372023-1-6382023-1-6392023-1-640n电容传感器的特点：电容量小，变化更小（电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，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。但由于电容及变化太小，不易实现。u电桥电路电桥电路u调频电路调频电路u谐振电路谐振电路u运算放大器式电路运算放大器式电路u脉冲宽度调制电路脉冲

23、宽度调制电路第二节第二节 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 2023-1-641u电桥型电路电桥型电路UCr1CRRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr22023-1-642u电桥型电路电桥型电路Cr1Cr2U0U（d）2023-1-643u电桥型电路电桥型电路 电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出。波后获得输出。2023-1-644调频电路调频电路 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

24、传感器工作时，电容Cx 发发生变化，就使振荡器的频率生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。产生相应的变化。01 5-22fL C2023-1-645u调频电路调频电路传感器电容是振荡器传感器电容是振荡器谐振回路谐振回路的一部分。当输入量使传感器的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的电容量发生变化时，振荡器的振荡频率振荡频率发生变化。频率的变发生变化。频率的变化经过化经过鉴频器鉴频器变为变为电压变化电压变化，再经过，再经过放大放大后由记录器后由记录器记录记录或或显示显示仪表指示。仪表指示。LCf212023-1-646LCf21式中：式中：C振荡回路的总电容，振荡回路的总电

25、容，C=C1+C2+Cx，其中，其中C1为振为振荡回路固有电容，荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容，为传感器引线分布电容，Cx=C0C为为传感器的电容。传感器的电容。当被测信号为当被测信号为0时，时，C=0，则，则C=C1+C2+C0，所以振荡，所以振荡器有一个固有频率器有一个固有频率f0,其表示式为其表示式为 LCCCf)(2102102023-1-647当被测信号不为当被测信号不为0时，时，C0，振荡器频率有相应变化，振荡器频率有相应变化，此时频率为此时频率为 ffLCCCCf0021)(21 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测

26、量高至测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。接收，以达到遥测遥控的目的。2023-1-648调频电容传感器调频电容传感器2023-1-649u运算放大器式电路运算放大器式电路运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图特点能将变间隙电容式传感器的特点能将变间隙电容式传感器的非线性特性非线性特性转换为转换为线性关系线性关系2023-1-650u运算放大器式电路运算放大器式电路 00 xiCCUUcxcbxcxcbi

27、IICjIUCjIU02023-1-651u运算放大器式电路运算放大器式电路dSCxdSCUUi00 00 xiCCUUdSCUUi00 00 xiCCUU2023-1-652u脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路电压比较器电压比较器A1、A2双稳态触发器双稳态触发器电容充放电回路电容充放电回路常用于差动式电容传感器常用于差动式电容传感器2023-1-6532023-1-654u脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路12121211UTTTU UTTTUBA，lnln1122211111rrUUUCRTUUUCRT2023-1-655 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA12

28、1210UCCCCU121210UddddU10UddUo10UAAUo2023-1-656以上这些特点都是其他电容测量线路所无法比拟的。以上这些特点都是其他电容测量线路所无法比拟的。2023-1-657u二极管双二极管双T电桥电路电桥电路2023-1-658u正半周正半周2023-1-659u负半周负半周2023-1-660 影响电容式传感器精度的因素影响电容式传感器精度的因素u温度的影响温度的影响u漏电阻的影响漏电阻的影响u边缘效应边缘效应u寄生电容寄生电容2023-1-661一、温度的影响一、温度的影响 环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对

29、被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：影响主要有以下两个方面：1.温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响2.温度对介质（介电常数）的影响温度对介质（介电常数）的影响2023-1-6621、温度对结构尺寸的影响、温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于电容传感器由于极间隙很小极间隙很小而对结构尺寸的变化特而对结构尺寸的变化特别别敏感敏感。在传感器各零件材料。在传感器各零件材料线膨胀系数线膨胀系数不匹配的情况不匹配的情况下，温度变化将导致下，温度变化将导致极间隙极间隙发生发生较大的相对变化较大的相对变化，从而，从而

30、产生产生很大的温度误差很大的温度误差。为了减小这种误差，在制造电容式传感器时，可以为了减小这种误差，在制造电容式传感器时，可以选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。如电极的支架选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料。如电极的支架选用选用陶瓷材料陶瓷材料，电极材料选用，电极材料选用铁镍合金铁镍合金。近年来，采用在近年来，采用在陶瓷陶瓷或或石英石英上喷涂一层上喷涂一层金属金属作为作为电电极极，效果更好。，效果更好。2023-1-6632、温度对介电常数的影响、温度对介电常数的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数的温度系数近似为零；而某

31、些液体介质，母的介电常数的温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数温度系数可达例如煤油的介电常数温度系数可达0.07/；若环境温；若环境温度变化度变化50，则将带来，则将带来7的温度误差，故采用此类的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。介质时必须注意温度变化造成的误差。2023-1-664二、漏电阻的影响二、漏电阻的影响 电容式传感器的电容量很小，一般在几十电容式传感器的电容量很小，一般在几十PF。如果激。如果激励频率较低时，电容传感器的容抗很高，达几十兆欧。一励频

32、率较低时，电容传感器的容抗很高，达几十兆欧。一般电器设备中的般电器设备中的几兆欧绝缘电阻几兆欧绝缘电阻对电容式传感器来说只能对电容式传感器来说只能看作是一个旁路，成为漏电阻。看作是一个旁路，成为漏电阻。漏电阻与传感器的容抗相近时，将使系统总的灵敏度漏电阻与传感器的容抗相近时，将使系统总的灵敏度下降。甚至当绝缘材料性能不够好的时候，绝缘电阻会随下降。甚至当绝缘材料性能不够好的时候，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使传感器的输出存在零漂。着环境温度和湿度而变化，致使传感器的输出存在零漂。选用选用绝缘性能好的材料绝缘性能好的材料（陶瓷、石英等）作（陶瓷、石英等）作两极板间两极板间支架支架；采用

33、；采用高的激励电源频率高的激励电源频率（数千赫至数兆赫）降低传（数千赫至数兆赫）降低传感器的内阻。感器的内阻。2023-1-665三、边缘效应三、边缘效应 电容器两极板间的电场在中心部分的分布均匀，边缘部分的分布不均匀电容器两极板间的电场在中心部分的分布均匀，边缘部分的分布不均匀 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边

34、缘电场的影响。+-2023-1-666可在结构上增设可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。+-等位环等位环3与电极与电极2同平面并将电极同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电包围，彼此电绝缘但等电位，使电极位，使电极1和和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。外周不影响传感器两极板间电场。2023-1-667四、寄生电容的影响四、寄生电容的影响 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十到几十pF)，而其引线，而其

35、引线电缆电容电缆电容(l2m导线可达导线可达800pF)、测、测量电路的量电路的杂散电容杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的以及传感器极板与其周围导体构成的等等“寄生电容寄生电容”却较大。它与传感器电容相并联，严重影响感器却较大。它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。1.缩短传感器和测量电路之间的电缆缩短传感器和测量电路之间的电缆2.驱动电缆法驱动电缆法2023-1-668驱动电缆

36、法驱动电缆法 驱动电缆采用驱动电缆采用双层屏蔽电缆双层屏蔽电缆。其中用一个增益为。其中用一个增益为1的放的放大器，大器，放大器输入端放大器输入端接于接于芯线芯线，输出端输出端接于接于内屏蔽线内屏蔽线，用，用芯线的电位来驱动内屏蔽线的电位。当放大器严格保持增芯线的电位来驱动内屏蔽线的电位。当放大器严格保持增益为益为1和相移为零时，内屏蔽线和芯线等电位，可以免除芯和相移为零时，内屏蔽线和芯线等电位，可以免除芯线和内屏蔽线之间的容性漏电流，从而消除了两者之间线和内屏蔽线之间的容性漏电流，从而消除了两者之间寄寄生电容生电容的影响。的影响。2023-1-669第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器

37、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 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要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。来达到非电量电测的目的。2023-1-670u差动电容式压力传感器差动电容式压力传感器一、电容式液位计一、电容式液位计 棒状电极（金属管）外棒状电极（金属管

38、）外面包裹聚四氟乙烯套管，当面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间起棒状电极与导电液体之间的电容变大。的电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套2023-1-672电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。2023-1-673液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能

39、化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单：用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮2023-1-674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正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯2023-1-675二、硅微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细图示加

40、速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作惯性力或重力加速度。其工作电压为电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测，加速度测量范围为数个量范围为数个g g，可输出与加，可输出与加速度成正比的电压也可输出占速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM 脉脉冲。冲。2023-1-676u电容式加速度传感器电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图差动式电容加速度传感器结构图 621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端；6壳体2

41、023-1-677u电容式加速度传感器电容式加速度传感器 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的

42、主要特点是电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快频率响应快和和量程范围量程范围大大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。大多采用空气或其它气体作阻尼物质。2023-1-678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 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）2023-1-679 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。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电

43、容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅。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微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相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试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输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。由出电压。它

44、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，所以频率响应可达达1kHz1kHz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。器，就可以测量三维方向的振动或加速度。2023-1-680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

45、速度值超过设定值时，得的负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 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，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。托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊2023-1-681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撞时，经控制系统使气囊迅速充气。2023-1-682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2023-1-683三、湿敏电

46、容三、湿敏电容 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。2023-1-684湿敏电容湿敏电容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜2023-1-685湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形2023-1-686湿敏电容

47、传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用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2023-1-687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 2023-1-688四、电容式油量表四、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表：在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。2023-1-689电容式油量表电容式油量表 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

48、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）。该油量该油量表属于开环表属于开环系统还是闭系统还是闭环系统？环系统？2023-1-690 上页所示的油量表在倾斜状态时可上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么

49、？以使用吗？为什么？该油量该油量表可用于表可用于飞机油箱飞机油箱2023-1-691五、电容式接近开关五、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；可以是接地的，也可以是不接地的。的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位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。器，可以根据被测物不同来改变动作距离。2023-1-692电容式接近开关外形电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式2023-1-693非齐平式非齐平

50、式接近开关的安装接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。装支架，易损坏。2023-1-694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）2023-1-695电容接近开关的规格电容接近开关的规格2023-1-696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2023-1-697 电容式接近开关在电容式接近开关在 液位物位测量控制中的使用液位物位测量控制中的使用2023-1-698 电容式接近开关在物位测量控制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示中的使用演示2023-1-699不同材料的非金属检测物对电