第3章 電容式傳感器

1、2022-4-281，kRRUU414110kRRUU212110kRRUU1102022-4-2825.電阻應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用2022-4-283概述概述 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器各種常用的電容式傳感器各種常用的電容式傳感器第第3 3章章 電容式傳感器電容式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及特性及特性0 rAACdd 用兩塊金屬平板作電極，構(gòu)成平板電容器，用兩塊金屬平板作電極，構(gòu)成平板電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，電容器的電容量當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，電容器的電容量C為為

2、:2022-4-2860 rAACdd 改變改變A A、d d、 三個參量中的任意一個量，均可使三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量平板電容的電容量C C 改變。改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型三種類型的電的電容傳感器。容傳感器。 2022-4-2872022-4-2882022-4-2892022-4-281000dACddddCddddAdAddACCC00000002022-4-281100100000dddddddCdddCCC(非線性關(guān)系非線性關(guān)系) 若若 d / d0 1 時，則上式按級數(shù)展開為時，則上式按級數(shù)展開為 :d)()

3、(1 3020000ddddddddCC略去高次略去高次(非線性非線性)項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系：項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系：00ddCC1/0dd2022-4-2812 其大小與 有關(guān)，如果 ，則 ，顯然適用于微小位移的檢測；%1000dd00ddCC結(jié)論：上述表明，在 條件下之間近似線性；：非線性誤差為:1/0dd1 . 002. 0/0dd0/dd%10%22022-4-2813) 1/(,0200000dddAdCdddCdCk其中%100/0dd2022-4-2814 。00100dddddddCC2022-4-2815C C2 2 d d2 2C C1 1 d d1 1 dACCCddd

4、02121,dddddd2121210202010111111111CCCCCddCdddAddACCCddCdddAddACCC用級數(shù)展開用級數(shù)展開此時：此時：C1增加了增加了 ，C2減小了減小了2022-4-2816%10020dd200022/dAdCdCk002ddCC)()(1 2)(2)(2)(2111140200050300000021ddddddCddddddCddddCCCC3.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器2022-4-2818 xab成線性關(guān)系與xdxbC,：2022-4-2819xD0D1L,ln2100DDLC成線性關(guān)系。與 xLxCDDxLC,1l

5、n20101：成線性關(guān)系。與 xLxCCCC,0012022-4-2820成線性關(guān)系與時，則：當(dāng)時，則：當(dāng),2121220rdCrddAC00變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性 變面積式電容傳感器的輸出特性是線變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。 請畫出變面積式電容傳感器的輸出特請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！性曲線！2022-4-28223.1.3、變介電常數(shù)式、變介電常數(shù)式 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的

6、相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。同。幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)2022-4-2823 變介電常數(shù)型電容式傳感器，大多用來測量介質(zhì)的厚度、位移和液位，還可以根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量的改變而改變的規(guī)律來測量介質(zhì)的溫度、濕度和容量等。2022-4-28242022-4-2825xCC1C2C32022-4-2826x xxabC0ab C1x232C1 C1 111CCxababxC2ab C1 C1x3102022-4-2827xCC100時，當(dāng)1/xxxxxxxxxCCC

7、abCCCC) 1(1) 1(111)(1100000000000 2022-4-28281CBld2d12xCACACBC 2110ddblC2022-4-28291CBld2d12xCA122111210002211121ddddlxCClxlCddddlx0C 2211221121212110dbxdbxdbxdbxCCCCCddblCA 121221111ddxlbddbxCCCBA2022-4-2830 10212121000CddlxCCCCC2211221200ddddlxCC 12121210 ddlxCC 212121001ddlxCCC2022-4-2831 12002r/

8、rlnhC dDHC/ln200dDhCx/ln2102dDhHC/ln2012022-4-2832HhCCCCCx0000; 由上面三個式，可得：21CCC2022-4-2833n邊緣效應(yīng)n寄生電容n溫度誤差3.1.5 電容式傳感器的性能改善2022-4-28342022-4-28352022-4-28362022-4-28370 rAACdd 1.平行板電容器的電容量平行板電容器的電容量C為為:2022-4-2838)()(1 3020000ddddddddCC0002ddCCC2022-4-2839成線性關(guān)系與xdxbC,成線性關(guān)系與,212rdC成線性關(guān)系。與 xLxCCCC,0012

9、022-4-2840 xCC100 10212121000CddlxCCCCC000CHhCx2022-4-2841應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例1：電容式傳感器的一些典型應(yīng)用電容式傳感器的一些典型應(yīng)用2022-4-2842收音機(jī)的調(diào)頻收音機(jī)的調(diào)頻電容式料位計(jì)應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例2：應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例3：2022-4-28430 rAACdd 2022-4-2844UoC1C2Ui2022-4-2845UoC1C2Ui02010CCC初始時：CCCCCC0012變化時：的單值線性函數(shù)。傳感器輸出電變化量電壓是為常數(shù)，此時，電輸出恒定，當(dāng)CCUi0iiiUCCUUCCCCCCU000002121)()(C C2 2

10、 d d2 2C C1 1 d d1 12022-4-2846CxC0UiUoIiIxIxxdACixUCCU00 xiixdAUCUCCU0002022-4-2847CxC0UiUoIiIxIxiixdAUCUCCU000 由上式可知，由上式可知， 運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距dx成成線性關(guān)系，線性關(guān)系， 式中符號式中符號“”表示輸出與輸入電壓反向。表示輸出與輸入電壓反向。2022-4-2848圖3-12 環(huán)形二極管電容測量電路2022-4-28492022-4-2850圖3-12 環(huán)形二極管電容測量電路)(123EEfCId)()()(1212dxdxCCE

11、fEEfCEEfCI)(122EEfCIx2022-4-2851圖3-12 環(huán)形二極管電容測量電路則：，增量，使的為，的初始值為令為方波的幅值。式中，,00012CCCCCCCCCEEEdxxxxdxCEfCCEfI)()()()(1212dxdxCCEfEEfCEEfCI。正比于由上式可以看出，xCI2022-4-28522022-4-2853，0CLCf21f0021LCfffCCLf)(2100，0C2022-4-2854)( uffCCLf)(2100)( f 電容器的容量受三個因素影響，即：極距電容器的容量受三個因素影響，即：極距x x、相對面積相對面積A A 和極間介電常數(shù)和極間介

12、電常數(shù) 。固定其中兩個變。固定其中兩個變 量，電容量量，電容量C C 就是另一個變量的一元函數(shù)。只要就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化常數(shù)的變化，就可以，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)通過測量電容量這個電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的來達(dá)到非電量電測的目的。 3.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用2022-4-28563.3.1 電容測厚傳感器2022-4-28572022-4-2858 2022-4-2859濕敏電容濕敏電容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜2022-4-2860濕敏電容傳感器的安裝

13、使用濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型帶報(bào)警器的家庭使用型2022-4-2861多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形 2022-4-2862聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套2.2.電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時，它輸出低電平。但值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平的型號。的型號。液位限位傳感器液位限位傳感器的設(shè)定的設(shè)定 智能化液位

14、傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：定方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時，放開當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當(dāng)水位高定。正常使用時，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號和控制信號。號和控制信號。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕2022-4-2865智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈超限燈正常工作正常工作指示燈指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源電源 指示燈指示燈2022-4-28663.電容式料位計(jì)0022 ()lnlnSXHChDDdd 0CCC2022-4

15、-28672022-4-28680 xxCC 00 xCC 3400RRCCx2022-4-2869xxhkC13400RRRCCCwxxxwhkCRCCRR10303xxxCCC0整理得：2022-4-2870wRk2xwhCRkkRk03212可見，與hx呈線性關(guān)系， 這樣便可以從刻度盤上讀出油位高度 被檢測物體可以是被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等人體等） ；可以是接地的，也可以是不接可以是接地的，也可以是不接地的地的。 調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電靈敏度調(diào)節(jié)電位器位器，可以

16、根據(jù)被測物不同來，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距改變動作距離離。 2022-4-2872電容式接近開關(guān)外形電容式接近開關(guān)外形齊平式齊平式非齊平式非齊平式2022-4-2873電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測電容被測電容非齊平式非齊平式接近開關(guān)的安裝接近開關(guān)的安裝 非齊平式安裝時，傳感器高于安非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。裝支架，易損壞。全密封防水式全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）遠(yuǎn)距離式（大量程）2022-4-2876電容接近開關(guān)的規(guī)格電容接近開關(guān)的規(guī)格2022-4-2877電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用2022-4-2878電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)在在液位物位測量液位物位測