1、下页下页上页上页第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的特性等效电路4.4电容传感器的设计要点4.5电容式传感器的转换电路4.6电容式传感器的应用举例本章要点下页下页上页上页电容式传感器？电容式传感器？电容式传感器是将被测量电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的的变化转换成电容量变化的-种传感器。种传感器。s 下页下页上页上页4.1 4.1 工作原理、分类及应用工作原理、分类及应用 一、工作原理一、工作原理ssCr0：介质介电常数介质介电常数 s：极板面积极板面积：极板间距离极
2、板间距离 s 上式中，哪几个参量是变量？上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容可以做成哪几种类型的电容传感器？传感器？下页下页上页上页二、分类二、分类 (按工作原理分类按工作原理分类)改变s、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。s ssCr0下页下页上页上页图411 1、变极距型、变极距型(变间距型变间距型)电容传感器电容传感器两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量变化.下页下页上页上页1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：0
3、.01微米）。dddCddddSdSddSC0改善非线性，提高灵敏度，减少环境影响，采用差动式结构。下页下页上页上页2、变面积电容传感器、变面积电容传感器常用的有角位移型和线位移型两种。一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形。下页下页上页上页2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 电容量的变化与面积的变化成线性关系。dSdSSdSdSC)(与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。下页下页上页上页这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等3、变介电常数型
4、电容传感器、变介电常数型电容传感器下页下页上页上页按结构分类按结构分类 平板式平板式 圆柱、圆筒式圆柱、圆筒式差动式差动式单体式单体式dSC)ln(2rRlC下页下页上页上页电容式液位计电容式液位计 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套下页下页上页上页电容式接近开关外形电容式接近开关外形下页下页上页上页湿敏电容传感器外形湿敏电容传感器外形下页下页上页上页原理：变介质型原理：变介质型特点：非接触式测量特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等应用：纸张、绝缘薄膜等电容式厚度传感器电容式厚度传感器下页下页
5、上页上页其他应用：其他应用：下页下页上页上页1、变间隙式：、变间隙式：s定极定极板板动极动极板板：极板间介质介电常数：极板间介质介电常数 0：真空介电常数：真空介电常数 r：极板间介质相对介电常数：极板间介质相对介电常数 ：极板间距离：极板间距离 s：极板有效覆盖面积：极板有效覆盖面积 4.2 4.2 电容式传感器灵敏度及非线性电容式传感器灵敏度及非线性SSCr0电容：下页下页上页上页cSddck2灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。例如：电容式压力传感器，0.10.2mm，C=20100pF，可测小至0.01um的线位移。适合于微位移的测量。初始极距过小容易引起电容器击穿或短
6、路。为此,极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。灵敏度分析：灵敏度分析：下页下页上页上页000011CsCCC)11(000CC10若：200001CC则：非线性误差分析：非线性误差分析：下页下页上页上页0001CC：略去二次方以上高次项只考虑线性项：00CC非线性误差：%10010000fe%1000下页下页上页上页讨论：讨论：为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围 0,，此时，传感器的灵敏度近似为常数。电容量C与极距呈非线性关系，减小初始极距将增大非线性误差。在实际应用中,为了提高灵敏度、减小非线性误差,大都采用差动式结构。下页下页上页上页差动电容结构
7、：差动电容结构：001AC002AC下页下页上页上页 2000011CC 差动结构分析差动结构分析 2000021CC 0402000212CC下页下页上页上页o灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍o非线性非线性减小减小灵敏度：kCk2200非线性误差：%10020 fe差动结构分析差动结构分析下页下页上页上页2 2、变面积式、变面积式xbCxabC0)(bax下页下页上页上页说明：说明：o灵敏度为一常数，输出特性是线性的。灵敏度为一常数，输出特性是线性的。obb、kko适合于测量较大的直线位移和角位移适合于测量较大的直线位移和角位移。xbCCC0bxC灵敏系数为：下页下页上页上页思考：思考：用于角位
8、移测量的电容式传感器的结构如下图。A、B为同一平面、形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平面内绕O点摆动。初始时，C处于A、B的中心。设极板间距为d。试推导：（1）初始时电容值。（2）当C向右移动角位移 后电容值。(3)灵敏度。ACCBCCACCBCC下页下页上页上页3 3、变介电常数式、变介电常数式电容式液位计电容式液位计1：液体介质的介电常数：液体介质的介电常数0:空气的介电常数；空气的介电常数；H:电极板的总长度；电极板的总长度；d、D：电极板的内、外径；：电极板的内、外径；dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21下页下页上页上页另一
9、种变介电常数的电容式传感器：另一种变介电常数的电容式传感器：rrddsddSC000d不变，不变，改变，如：改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。等非导电固体介质的湿度。不变，不变，d改变，如：改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的测量纸张、绝缘薄膜等的厚度厚度d0 rs气隙气隙下页下页上页上页一、特点一、特点1、优点 输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置，因此电容传感器可以测量很小的力，而且很灵敏。精度高达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5m。机械损失小
10、。自身发热量很小，又无摩擦，具有很高的精度。动态特性好。活动部件质量小，因此固有频率高。适于动态信号的测量。结构简单，适应性好。在振动、强辐射以及很大的温度变化的恶劣环境下工作。4.3 4.3 电容式传感器的特点及等效电路电容式传感器的特点及等效电路下页下页上页上页电容式传感器的特点电容式传感器的特点2、缺点输出阻抗高，大到几十兆欧几百兆欧，带负载能力差。输出特性非线性较严重。寄生电容的影响较大，从而导致工作不稳定，降低灵敏度。寄生电容：电容的极板与周围导体构成的电容。寄生电容：电容的极板与周围导体构成的电容。下页下页上页上页R R：串联损耗电阻。引线电阻、金属极板电阻等。：串联损耗电阻。引线
11、电阻、金属极板电阻等。(高频高频)RpRp：并联电阻。直流漏电阻、气隙介质损耗等。（低频）：并联电阻。直流漏电阻、气隙介质损耗等。（低频）L L：电容器及引线的动态电感。（高频）：电容器及引线的动态电感。（高频）CpCp：A A、B B两端的寄生电容。两端的寄生电容。二、等效电路分析二、等效电路分析下页下页上页上页RpRLC二、等效电路分析二、等效电路分析RpRp与并联的与并联的 相比很大，故忽略并联大电相比很大，故忽略并联大电阻阻Rp。R R与串连的与串连的 相比很小，故忽略串连小电相比很小，故忽略串连小电阻阻R。高频情况下，高频情况下，L L对对A A、B B端等效电容的影响。端等效电容的
12、影响。CXC1LXL下页下页上页上页LCCCCCee211所以所以改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。电容传感器测量必须在同样条件下进行。电容传感器测量必须在同样条件下进行。传感器有效电容：传感器有效电容：CecjLjcje11LCCCe21222211LCkLCcCke下页下页上页上页一、交流电桥一、交流电桥03241ZZZZ4321ZZZZ平衡条件为平衡条件为)(43213241ZZZZZZZZUUsrSC4.4 4.4 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路下页下页上页上页交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件：1 423z zz zijii
13、zZ e14231423Z ZZ Z 式中，zi各桥臂的复数阻抗(i=1,2,3,4）；Zi复数阻抗的模（i=1,2,3,4）；i复数阻抗的阻抗角（i=1,2,3,4）。相对两臂复阻抗的模之积相等；相对两臂复阻抗的模之积相等；且相对两臂复阻抗的幅角之和相等。且相对两臂复阻抗的幅角之和相等。下页下页上页上页下页下页上页上页电容传感器常用交流电桥形式电容传感器常用交流电桥形式下页下页上页上页 当桥路电源电压与传感元件阻抗相对变化量当桥路电源电压与传感元件阻抗相对变化量 一定时一定时11ZZ相邻桥臂初始阻抗的模相等模相等 ，并使两桥臂阻抗幅角差幅角差 尽量大尽量大，可以提高电桥电压灵敏度 。21zz
14、 21ioUU/电容传感器常用交流电桥形式分析电容传感器常用交流电桥形式分析提高电桥电压灵敏度？提高电桥电压灵敏度？下页下页上页上页图4-13（h）二、变压器电桥二、变压器电桥等效电路图：等效电路图：E1E2C1C2I1I2IfZf01121222111fffffIIIEZIIcjEZIIcj下页下页上页上页fZEEE）考虑（放大器输入阻抗起始时：21jCCZjCECEIff)(1)(212211求得：ffffscZjCCZjCECEZIU)(1)(212211ECCCCUsc2121(4-14)下页下页上页上页SCSC21对差动变间隙电容器：说明：说明：ZZ时，时，U=f(U=f(），成线性
15、关系。），成线性关系。U USCSC与电源电压有关，所以必须交流稳压。与电源电压有关，所以必须交流稳压。采用稳幅、稳频等措施。采用稳幅、稳频等措施。0EUsc下页下页上页上页变压器电桥输出电路变压器电桥输出电路下页下页上页上页例：自动平衡电桥例：自动平衡电桥下页下页上页上页工作过程工作过程无油时，起始电容无油时，起始电容Cx=Cx0，若使，若使Cx0=C0，此时输出为零，此时输出为零，指针指零，电桥无输出，系统处于平衡状态指针指零，电桥无输出，系统处于平衡状态,E1Cx0=E2C0油量变化时，油量变化时，Cx=Cx0+Cx Cx=k1h电桥不平衡电桥不平衡输出输出U 放大放大两相电极转动两相电
16、极转动减速减速指针指示指针指示电位器电刷转动电位器电刷转动 改变改变E电桥恢复平衡电桥恢复平衡输出电压为零、电机停止转动、指针输出电压为零、电机停止转动、指针停在某角度上。停在某角度上。下页下页上页上页hkkCEEk21012是线性电位器所以，指针转角与所以，指针转角与h h成线性关系成线性关系hkCECCEECEECCExxx101010201)()代入初始平衡条件：（在新的平衡位置：下页下页上页上页电容式油量表电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表：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，
17、由电流表指示出油量。由电流表指示出油量。下页下页上页上页 该油量表可用于飞机油箱下页下页上页上页三、双三、双T T型冲放电网络（二极管式线路）型冲放电网络（二极管式线路）下页下页上页上页下页下页上页上页 当U为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止。于是电容C1很快被充电至电压U，电源U经R1以电流I1向负载RL供电;与此同时，电容C2经R2和RL放电电流为I2，流过RL的电流为I1、I2的和IL。同理负半周。当C1=C2,R1=R2，则电流IL=IL,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。下页下页上页上页 若传感器输入不为若传感器输入不为 0,0,则则C C1 1 C C2 2,那
18、么那么I IL LIIL L,此时此时R RL L上必定有信号输出上必定有信号输出,其输出在一个周期内的平均其输出在一个周期内的平均值为值为)()()2(212CCEfRRRRRRRIUfffffsc输出电压输出电压U Uo o不仅与电源电压的幅值和频率有关不仅与电源电压的幅值和频率有关,而且而且与与T T型网络中的电容型网络中的电容C C1 1和和C C2 2的差值有关。的差值有关。当电源电压确定后当电源电压确定后,输出电压输出电压UoUo是电容是电容C1C1和和C2C2的函数。的函数。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关电路的灵敏度与电源幅值和频率有关,故输入电源要故输入电源要求稳定。求稳定。
19、下页下页上页上页双双T型冲放电网络仿真型冲放电网络仿真下页下页上页上页下页下页上页上页图4-16UFMN四、脉冲调宽型电路四、脉冲调宽型电路下页下页上页上页UAU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUf0tT1UNUf0tT2UMUf0tT1UNUf0tT2时序图时序图下页下页上页上页21121TTTTUUUUBPAPscfUUUCRT11111lnfUUUCRT11222ln设设R1=R=R2，得：，得：1211UTTTUAP1212UTTTUBP21211CCCCUUsc输出电压：(4-17)下页下页上页上页对于变极距型差分电容传感器对于变极距型差分电
20、容传感器UddU0对于变面积型差分电容传感器对于变面积型差分电容传感器USSU21211CCCCUUsc输出电压：(4-17)下页下页上页上页无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。不需要解调。将差动电容传感器的输出变化信不需要解调。将差动电容传感器的输出变化信号转换成有极性方向和大小输出的直流信号号转换成有极性方向和大小输出的直流信号。由于低通滤波的作用，对输出矩形波的纯度要由于低通滤波的作用，对输出矩形波的纯度要求不高。求不高。要求精度较高的直流电源。要求精度较高的直
21、流电源。脉冲调宽型电路脉冲调宽型电路说明说明：下页下页上页上页五、调频电路五、调频电路 调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。01 5-22fL C图4-10调频电路下页下页上页上页六、运放式线路六、运放式线路xxFSCcccjcjZZUU00111 K CxC0UUSCIXI0按理想运算放大器的条件按理想运算放大器的条件：下页下页上页上页从原理上解决了单电容变间隙传感器的非线性问题。从原理上解决了单电容变间隙传感器的非线性问题。实际上，实际上，Zi，K ，所以，存在一定非线性，所以，存在一定非线
22、性，Zi、K很大，非线性很小。很大，非线性很小。USC与与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压源、高质有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容量电容C0特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。sCsCUUXsc000其中：下页下页上页上页0b0g0a00:极板间隙；极板间隙；g0:固定极板厚；固定极板厚；b0:绝缘件厚绝缘件厚0000gba)1()1()1(000tgtbtagbattgbagbat)(0000)(,000gbagba使得欲消除影响4.5 4.5 电容式传感器的设计要点电容式传感器的设计要点温度变化对结构稳定性的影响下页下页上页
23、上页 温度误差与零件的尺寸、热膨胀系数有关温度误差与零件的尺寸、热膨胀系数有关 要减小温度变化的影响，可以：要减小温度变化的影响，可以：减少热膨胀尺寸链的组成环节。选用热膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、镍铁合金等。其中尤以绝缘套材料为最重要。采用差动对称结构，对温度误差进行补偿。说明：说明：下页下页上页上页温度变化对介质介电常数的影响温度变化对介质介电常数的影响如，同心圆柱式传感器，液面高度如，同心圆柱式传感器，液面高度H：120t1200ln)(2ln2RRHRRHC温度变化使得温度变化使得改变，引起电容量的变化为：改变，引起电容量的变化为：tRRHRRHRRHCCCtt
24、tttt01200120120ln2)(ln2)(ln2ttHC)1(0ttt燃油：下页下页上页上页保证绝缘材料的绝缘性能 电容传感器电容量小、阻抗高，绝缘问题突出。电容传感器电容量小、阻抗高，绝缘问题突出。措施：措施：选择优质绝缘材料，玻璃、石英、陶瓷、尼龙等。装配前严格清洗。传感器壳体密封，防止水汽进入。采用较高频率的电源供电，以降低内阻抗，相应降低对绝缘电阻的要求。R漏电阻C下页下页上页上页 边缘效应使电容传感器的灵敏度降低、产生非线性 边缘效应与极板的厚度/极距有关。比值越大，影响越大。消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应措施：措施：采用带保护环的结构；减小极板厚度。下页下页上页上页消
25、除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响寄生电容：寄生电容：电容器极板与周围导体之间产生电电容器极板与周围导体之间产生电容联系。容联系。寄生电容不稳定寄生电容不稳定 传感器输出不稳定传感器输出不稳定 产生干扰产生干扰（屏蔽）电缆寄生电容较大（可达100pf/m），与传感器电容并联：电缆位置、形状改变，使传感器极不稳定。电缆信电缆信CCCC下页下页上页上页 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。注意传感器的接地和屏蔽。采用组合式与集成技术。将传感器、前置级组合在一个壳体内，省去其间的电缆。采用“驱动电缆技术(也称双层屏蔽等位传输技术)。采用运算放大器法 整体屏蔽法。消除和减小寄生电容的方法消
26、除和减小寄生电容的方法下页下页上页上页4.6 4.6 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 差分式电容压力传感器差分式电容压力传感器感压敏感元件感压敏感元件下页下页上页上页下页下页上页上页电容式差压变送器电容式差压变送器 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子电子线路线路位置位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置下页下页上页上页感压膜片采用张紧式结构。感压膜片采用张紧式结构。感压腔充灌温度系数小、性能稳定的硅油作为感压腔充灌温度系数小、性能稳定的硅油作为介质。介质。可以承受超高压、小压差（过载保护能力强）可以承受超高压、小压差（过载保护能力强）P=p-p=100Mp
27、a-99Mpa=2Mpa-1Mpa采用球面电极，改善性能采用球面电极，改善性能工艺要求高：张紧膜片与壳体的焊接困难工艺要求高：张紧膜片与壳体的焊接困难说明：说明：下页下页上页上页压力通过两侧或一侧隔离膜片、灌压力通过两侧或一侧隔离膜片、灌充液作用在敏感元件张紧的测量膜片充液作用在敏感元件张紧的测量膜片上上,测量膜片与两侧绝缘体上的电容测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组成一个电容器极板各组成一个电容器.在无压力通入或两侧压力均等时测在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置量膜片处于中间位置,两个电容器的两个电容器的电容量相等电容量相等.当两侧压力不一致时当两侧压力不一致时,致致使测量膜
28、片产生位移使测量膜片产生位移,其位移量和压其位移量和压力差成正比力差成正比,这种这种位移转变为电容极位移转变为电容极板上形成的差动电容板上形成的差动电容.由电子线路把差动电容转换成由电子线路把差动电容转换成4-4-20mADC20mADC的二线制电流信号的二线制电流信号,下页下页上页上页电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构 1 1高压侧进气口高压侧进气口 2 2低压侧进气口低压侧进气口 3 3过滤片过滤片 4 4空腔空腔 5 5柔性不锈钢波柔性不锈钢波 纹隔纹隔离膜片离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9 9弹性平膜片弹
29、性平膜片 1010 腔腔下页下页上页上页各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 下页下页上页上页各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续）下页下页上页上页利用电容差压变送器利用电容差压变送器测量液体的液位测量液体的液位 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下页下页上页上页电容差压变送器电容差压变送器用于测量液体的液位用于测量液体的液位 投入式液位计投入式液位计下页下页上页上页电容式液位测量装置的电容式液位测量装置的结构和工作原理结构和工作原理图示为几种用于连续测量的电容探头结图示为几种用于连续测量
30、的电容探头结构。用一电容探头感受物面位置的变化。构。用一电容探头感受物面位置的变化。如果容器壁由导电材料制成，则只需装如果容器壁由导电材料制成，则只需装入电极入电极1 1或或3 3或或4 4，容器壁作为另一电极与，容器壁作为另一电极与外壳相连（接地）。外壳相连（接地）。如果容器壁由非金属材料制成，则必须如果容器壁由非金属材料制成，则必须使用具有内外电极的管式电极使用具有内外电极的管式电极2 2，或对电，或对电极极l l、3 3、4 4另附一个反电极另附一个反电极5 5。测量时，电容器的上部隔着空气，下部测量时，电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其它材料。空气的介电常数充满液体或其它材料。空气
31、的介电常数0 0l l，被测物的介电常数为，被测物的介电常数为r r。物位。物位变化时，变化时，电容器的电容变化值电容器的电容变化值CC与被测与被测材料的物位高度材料的物位高度x x成线性关系成线性关系。下页下页上页上页电容式液位电容式液位限位限位传感器传感器 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，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。下页下页上页上页液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方法智能化液位传感器的设定方法十分简单：十分简单：用手指压住设定按钮，当液位用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按
32、钮，智能达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。警信号和控制信号。设定按钮设定按钮下页下页上页上页 图所示是一些进行物位极限位置图所示是一些进行物位极限位置监控的电容测头结构。监控的电容测头结构。这时不再希望探头的电容值在整这时不再希望探头的电容值在整个高度范围内线性变化，而是希望个高度范围内线性变化，而是希望物位在达到极限位置时电容能发生物位在达到极限位置时电容能发生突变突变。l l和和2 2是绝缘的电极，是绝缘的电极，3 3是侧面安装是侧面安装的电极，它以的电极，它以7
33、070角倾斜安装可防角倾斜安装可防止被测液的粘附，止被测液的粘附，4 4是平面电极，可是平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头用于一些不能在内部插入电容探头的容器内物位的测量，如搅拌器。的容器内物位的测量，如搅拌器。下页下页上页上页 电容式液位限位传感器在电容式液位限位传感器在物位测量控制中的使用演示物位测量控制中的使用演示下页下页上页上页电容式液位限位传感器在电容式液位限位传感器在液位测量控制中的使用液位测量控制中的使用下页下页上页上页电容式料位传感器电容式料位传感器电容式物位变送器电容式物位变送器探头探头与与容器壁容器壁形成形成一个电容器。一般采用单电极式。一个电容器。一般采用单电极式
34、。电容极板（探头与容器壁）的表面积、电容极板（探头与容器壁）的表面积、两极板之间的距离及被测物料的介电常两极板之间的距离及被测物料的介电常数决定电容量的大小。数决定电容量的大小。当探头固定安装于容器壁上后，被测当探头固定安装于容器壁上后，被测物料之介电常数不变时，此刻的电容量物料之介电常数不变时，此刻的电容量仅取决于被测物料的高度，并与物位成仅取决于被测物料的高度，并与物位成正比。正比。通过变送器将测出的电容量转换为连通过变送器将测出的电容量转换为连续的续的420mA420mA模拟信号输出。模拟信号输出。下页下页上页上页dDHCln)(20电容量与料位的电容量与料位的关系：关系：下页下页上页上
35、页电容式接近开关电容式接近开关 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的的测量头测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体物体的的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的电容量发生变本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的电容量发生变化，使得和测量头相连的化，使得和测量头相连的RCRC振荡器开始振荡振荡器开始振荡，由此便可控制开关，由此便可控制开关的接通和关断。的接通和关断。被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的
36、绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；体（例如饲料、人体等）；广泛应用于机械，矿山，造纸，烟草，广泛应用于机械，矿山，造纸，烟草，塑料，化工，治金，轻工，汽车，电力，保安，铁路，航天等各塑料，化工，治金，轻工，汽车，电力，保安，铁路，航天等各个行业个行业。下页下页上页上页全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）下页下页上页上页非接触电容式位移传感器非接触电容式位移传感器非接触电容位移传感器可测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置。可实现高的线性测量。具有特别高的分辨率，以及稳定性。电容位移传感器使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进入传感器间隙中，都将影响测量结果。下页下页上
37、页上页位移测量位移测量 弯曲、波动弯曲、波动变形变形移动、位移移动、位移位置、膨胀位置、膨胀振动、偏心振动、偏心位置、膨胀位置、膨胀冲击、变形冲击、变形轴向窜动轴向窜动阀门位移阀门位移活塞移动活塞移动 厚度、轮廓厚度、轮廓偏心、直径偏心、直径同心度同心度压缩机叶片压缩机叶片间隙、转速间隙、转速下页下页上页上页湿敏电容湿敏电容 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，使两块大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极电极之间
38、的介质相对介电常数大为增加，所以电容量增大。之间的介质相对介电常数大为增加，所以电容量增大。下页下页上页上页湿敏电容湿敏电容外形外形吸水高分子薄膜电容吸水高分子薄膜电容下页下页上页上页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 下页下页上页上页湿敏电容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下页下页上页上页图4-21 电容式加速度传感器结构示意图电容式加速度传感器电容式加速度传感器下页下页上页上页硅微加工加速度传感器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
39、变加速度术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力（振动），也可测量惯性力或重力加速度。加速度测量范围为数个加速度。加速度测量范围为数个g g，可输出与加速度成正比的电压也可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脉冲。输出占空比正比于加速度的脉冲。下页下页上页上页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）利用利用微电子加工技术微电子加工技术，可以将一
40、块多，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制制造出三个多晶硅电极造出三个多晶硅电极，组成差动电容，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。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，微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。所以相当于悬臂梁。当它感受到当它感受到上下振动时，上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差呈差动变化。动变化。与加速度测试单元封装在同一与加速度测试单元封装在同一壳体中的壳体中的信号处理电路将信号处理电路
41、将C C 转换成直转换成直流输出电压流输出电压。它的激励源也做在同一壳。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，所以滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达频率响应可达1kHz1kHz以上，允许加速度范以上，允许加速度范围可达围可达10g 10g 以上。以上。下页下页上页上页微加工微加工三轴加速度传感器三轴加速度传感器技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g 500mV/g，量程：量程：10g10g，频率范围：频率范围：0.5-2000Hz0.5-2000Hz，分辨力：分辨力：0.00004g 0.
42、00004g，重量：重量：200g 200g，线性误差：线性误差：1%1%下页下页上页上页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。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，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器的假人人气囊气囊下页下页上页上页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 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经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控制系统使气囊迅速充气。下页下页上页上页利用加速度传感器实
43、现延时利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置下页下页上页上页第第4 4章章 本章要点本章要点|电容式传感器电容式传感器工作原理工作原理灵敏度及非线性灵敏度及非线性特点及等效电路特点及等效电路设计要点设计要点转换电路转换电路返回返回下页下页上页上页图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图退出退出可动极筒与屏蔽壳同为地可动极筒与屏蔽壳同为地动极筒运动时，定极筒与屏蔽壳电容值恒定。动极筒运动时，定极筒与屏蔽壳电容值恒定。下页下页上页上页驱动电缆技术：驱动电缆技术：内屏蔽与引线之间处于等电位，两者之间没有电容联内屏蔽与引线之间处于等电位，两者之间没有电容联系。
44、消除芯线与内屏蔽层之间的电容。系。消除芯线与内屏蔽层之间的电容。外屏蔽接地仍起屏蔽作用，消除外界电场的干扰。外屏蔽接地仍起屏蔽作用，消除外界电场的干扰。条件：条件：交流放大器放大倍数为交流放大器放大倍数为1 1、相移为零、相移为零无穷大的输入阻抗，输入电容无穷大的输入阻抗，输入电容C=0C=0退出退出下页下页上页上页退出退出等效电缆电容：等效电缆电容：)1/(KCp传感器的电极经电缆芯线接运放的虚地点。传感器的电极经电缆芯线接运放的虚地点。电缆的屏蔽层接仪器地。电缆的屏蔽层接仪器地。下页下页上页上页 图4-9 两个整体屏蔽法例子退出退出 将传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容归算将传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容归算入放大器的输入电容，只影响灵敏度。入放大器的输入电容，只影响灵敏度。整体屏蔽法整体屏蔽法
