第4章電容式傳感器

1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù) 主講教師：王國(guó)榮主講教師：王國(guó)榮 4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理及類型電容式傳感器的工作原理及類型 4.2 4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性 4.3 4.3 電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路 4.4 4.4 電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 4.5 4.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 4.6 4.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例第第4章章 電容式傳感器電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)

2、態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。和成分含量等測(cè)量之中。 電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件(電阻、電感電阻、電感和電容和電容)之一

3、，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為為電容式傳感器電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。器。 電容式傳感器是電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量的測(cè)量裝將被測(cè)參數(shù)變換成電容量的測(cè)量裝置置。它的基本工作原理是。它的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)的參數(shù)之間的關(guān)系的參數(shù)之間的關(guān)系。 4-1 4-1 電容式傳感器的工作原理與類型電容式傳感器的工作原理與類型工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的

4、變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: :位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量一、工作原理一、工作原理 兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,當(dāng)忽略邊緣效當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，它的電容量為應(yīng)時(shí)，它的電容量為: : 由上式可知，改變電容由上式可知，改變電容C的方法有三種，其一為改變介的方法有三種，其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)質(zhì)的介電常數(shù)；其二為改變形成電容的有效面積；其二為改變形成電容的有效面積S；其三；其三為改變兩個(gè)極板間的距離為改變兩個(gè)極板間的距

5、離d。從而得到電參數(shù)的輸出為電容。從而得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量值的增量C，這就成了電容式傳感器。，這就成了電容式傳感器。dSCS式中式中 -兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； S-兩個(gè)極板相對(duì)有效面積；兩個(gè)極板相對(duì)有效面積； d-兩個(gè)極板間的距離兩個(gè)極板間的距離二、類型二、類型根據(jù)工作原理，電容式傳感器可以有三種基本類型：根據(jù)工作原理，電容式傳感器可以有三種基本類型：變極距變極距( (或稱變間隙）或稱變間隙）(d)型型變面積變面積(S)型型變介電常數(shù)變介電常數(shù)()型。型。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。變極距型

6、變極距型一般用來(lái)測(cè)微小的位移（小至一般用來(lái)測(cè)微小的位移（小至0.01um1mm）變面積型變面積型一般用來(lái)測(cè)量角位移或較大的線位移一般用來(lái)測(cè)量角位移或較大的線位移變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型常用于固體或液體的物位測(cè)量，也用于測(cè)定常用于固體或液體的物位測(cè)量，也用于測(cè)定各種介質(zhì)的濕度、密度等參數(shù)。各種介質(zhì)的濕度、密度等參數(shù)。 分類示意圖分類示意圖 c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .+a) a) 極距變化型極距變化型; ;+1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 圖中極板1固定不動(dòng)，極

7、板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為d2變極距型電容傳感器1CdC0C- 特性曲線dC0極距為時(shí)的初始電容量。 dddCddddSdSddSC0（常測(cè)微小的位移）（常測(cè)微小的位移）變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理 當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離改變了兩極板之間的距離d d，從而使電容量，從而使電容量發(fā)生變化。發(fā)生變化。 變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特性曲線 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)從圖中可以看到，為了提高靈敏

8、度，應(yīng)使當(dāng)d d0 0小小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d d0 0較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變??？較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變?。?a）結(jié)構(gòu)示意圖）結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系）電容量與極板距離的關(guān)系1定極板定極板 2動(dòng)極板動(dòng)極板 實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。電容器的行程較小的缺點(diǎn)。 該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非

9、線性、提高靈敏度和減小外界際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素因素( (如電源電壓、環(huán)境溫度如電源電壓、環(huán)境溫度) )的影響，常常作成的影響，常常作成差動(dòng)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。2 2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器dx 設(shè)兩矩形極板間覆蓋面積為設(shè)兩矩形極板間覆蓋面積為S，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)，

10、當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)X，則，則面積面積S發(fā)生變化，電容量也改變。發(fā)生變化，電容量也改變。 （主要用來(lái)測(cè)直線位移、角位移和尺寸等參數(shù)）（主要用來(lái)測(cè)直線位移、角位移和尺寸等參數(shù)） ) ( ) (SSSdSdSSdSdSC 式中式中 這類傳感器具有良好的線性。這類傳感器具有良好的線性。 可見(jiàn)變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏可見(jiàn)變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。度為一常數(shù)。 增大初始電容增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度；可以提高傳感器的靈敏度； 極板寬度極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太的大小不影響靈敏度，但不能太 小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，非線性將增大；小，否則邊緣電場(chǎng)影響增大，

11、非線性將增大； X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器 特性產(chǎn)生非線性變化。特性產(chǎn)生非線性變化。（因?yàn)橐陨系耐茖?dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行（因?yàn)橐陨系耐茖?dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行的）。的）。 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)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(shí)，電容器的電容量也就容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。不同。 幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)3 3、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器（主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）（主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等

12、）變介電常數(shù)型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖變介電常數(shù)型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖xh2r2R01類型類型1： 被測(cè)液體的液面在電容被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變?；?，導(dǎo)致電容的改變。 1液體介質(zhì)介電常數(shù)；液體介質(zhì)介電常數(shù)；0空氣中介電常數(shù)（空氣中介電常數(shù)（F/m）；）； h電極板總長(zhǎng)度（電極板總長(zhǎng)度（m）；）； r內(nèi)電極板外徑（內(nèi)電極板外徑（m）；）； R外電極板內(nèi)徑（外電極板內(nèi)徑（m）；）； x液面高度（液面高度（m）。）。 可見(jiàn)，輸出電容可見(jiàn)，輸出電容C

13、與液面高度與液面高度 x 成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。01022()lnlnhxCRRrr 液面高度液面高度類型類型2：d面積面積S氣隙氣隙0r 當(dāng)某種介質(zhì)在兩當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，固定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容輸出與介質(zhì)參數(shù)電容輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：0rSCdd d 運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（m）可見(jiàn)：可見(jiàn)： 若厚度若厚度 d 保持不變，介電常數(shù)保持不變，介電常數(shù)r 改變（如濕改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；度變化），可做成濕度傳感器； 若若r不變，可做成測(cè)厚傳感器不變，可做成測(cè)厚傳感器 這里我們先討論變極距型的平板電容傳感器的靈敏度。假設(shè)這里我們先討論變極距型

14、的平板電容傳感器的靈敏度。假設(shè)極板間只有一種介質(zhì)，如圖極板間只有一種介質(zhì)，如圖4-1情況。情況。 對(duì)單極式電容表達(dá)式為：對(duì)單極式電容表達(dá)式為： 其初始電容值為：其初始電容值為： 當(dāng)極板距離有一個(gè)增量當(dāng)極板距離有一個(gè)增量d時(shí)，則傳感器電容為：時(shí)，則傳感器電容為： dsC00dsCCCddsC 00)( 4-2 4-2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性 靈敏度靈敏度k為為 只有比值只有比值 d/d0 很小時(shí)才可認(rèn)為是接近線性關(guān)系，這就意很小時(shí)才可認(rèn)為是接近線性關(guān)系，這就意味著使用這種形式傳感器時(shí)，被測(cè)量范圍不應(yīng)太大。味著使用這種形式傳感器時(shí)，被測(cè)量范圍不應(yīng)太大。 32000

15、01dddddddCdCk 為在比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感器，可適當(dāng)?shù)脑龃髽O為在比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感器，可適當(dāng)?shù)脑龃髽O板間的初始距離板間的初始距離 d0 ，以保證比值，以保證比值 d/d0不致過(guò)大，但會(huì)不致過(guò)大，但會(huì)帶來(lái)靈敏度下降的缺點(diǎn)，同時(shí)也使電容傳感器的初始值帶來(lái)靈敏度下降的缺點(diǎn)，同時(shí)也使電容傳感器的初始值減小，寄生電容的干擾作用將增加。減小，寄生電容的干擾作用將增加。 顯然，輸出電容C與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系。 只有當(dāng)(d/d1時(shí)，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為CC0(d/d)。由于d取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（1cm至零

16、點(diǎn)幾mm），而且d最大應(yīng)小于極板間距d的1/51/10。 00000/11ddddCdddCC 非線性非線性 對(duì)變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時(shí)，其電容量的變化： 30200001)(ddddddddCC可見(jiàn)，差動(dòng)式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了差動(dòng)式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。一倍。 如果電容式傳感器輸出量采用容抗容抗XC=1/(C) ，那么被測(cè)量d就與XC成線性關(guān)系，不需要滿足d C2 正半周：正半周：C1充電電充電電量增多量增多 ，C2放電情況放電情況不變。輸出正電壓情況不變。輸出正電壓情況不變。不變。 負(fù)半周：負(fù)半周：C2充電情充電情況不變，況不變，C1放電電

17、流放電電流增大增大 。輸出負(fù)電壓變。輸出負(fù)電壓變小。小。 結(jié)論：如果結(jié)論：如果C1、C2電容有一個(gè)發(fā)生改變，則正、電容有一個(gè)發(fā)生改變，則正、負(fù)半周電流將不再對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)半周大、另一個(gè)半負(fù)半周電流將不再對(duì)稱，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)半周大、另一個(gè)半周小的情況，輸出電壓平均值將取決于電容的差：周小的情況，輸出電壓平均值將取決于電容的差：)()()2(2120CCfURRRRRRULLLCfUKU0或：或： 雙雙T T電橋特點(diǎn)：電橋特點(diǎn)：電路有一個(gè)公共接地點(diǎn)；二極管工作電路有一個(gè)公共接地點(diǎn)；二極管工作于線性工作段；輸出電壓高；測(cè)量靈敏度與電源頻率有于線性工作段；輸出電壓高；測(cè)量靈敏度與電源頻率有關(guān)；可以用于動(dòng)

18、態(tài)測(cè)量。關(guān)；可以用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。雙雙T T電橋電路的特點(diǎn)：電橋電路的特點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充對(duì)傳感器電容的充放電放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。其基本出發(fā)點(diǎn)是構(gòu)成一個(gè)頻率穩(wěn)定化而變化。其基本出發(fā)點(diǎn)是構(gòu)成一個(gè)頻率穩(wěn)定的方波發(fā)生器，以電容變化來(lái)調(diào)節(jié)占空比，由的方波發(fā)生器，以電容變化來(lái)調(diào)

19、節(jié)占空比，由此此引起平均直流分量的變化引起平均直流分量的變化。 2、脈沖寬度調(diào)制電路、脈沖寬度調(diào)制電路脈沖調(diào)寬型電路原理圖脈沖調(diào)寬型電路原理圖各點(diǎn)電壓波形圖各點(diǎn)電壓波形圖脈沖調(diào)寬型電路原理圖脈沖調(diào)寬型電路原理圖UCCCCUTTTTUxxxx21212121 UddU0 USSU 變極距型：變極距型：變面積型：變面積型： 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于變極板距離和變面差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于變極板距離和變面積式差動(dòng)電容傳感器，且為線性特性。積式差動(dòng)電容傳感器，且為線性特性。4-6 4-6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例量程量程精度精度分辨力分辨力變極距型變極距型0.01幾百微米幾百微

20、米0.01 m0.001 m變面積型變面積型零點(diǎn)幾零點(diǎn)幾幾百毫米幾百毫米優(yōu)于優(yōu)于0.5%0.010.001 mn壓力測(cè)量壓力測(cè)量：差壓傳感器、變面積傳感器、荷重傳感器：差壓傳感器、變面積傳感器、荷重傳感器n水分檢測(cè)：糧食、油水分檢測(cè)：糧食、油n液位測(cè)量液位測(cè)量n加速度測(cè)量加速度測(cè)量 電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對(duì)面積相對(duì)面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。固定其中兩個(gè)變。固定其中兩個(gè)變 量，電容量量，電容量C 就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或

21、者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。 電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移，振動(dòng)電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移，振動(dòng)振幅振幅(可測(cè)至可測(cè)至0.05m的微小振幅的微小振幅)，尤其適合測(cè)量高，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密

22、度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。 當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測(cè)往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。LHHLLHCCKPPKPCC= （）=一、電容式壓力傳感器一、電容式壓力傳感器二、電容式加速度傳感器二、電容式加速度傳感器 這里有兩個(gè)固定極板，極板這里有兩個(gè)固定極板，極板中間有一用彈

23、簧支撐的質(zhì)量中間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面經(jīng)塊，此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面經(jīng)過(guò)磨平拋光后作為可動(dòng)極板過(guò)磨平拋光后作為可動(dòng)極板。當(dāng)傳感器測(cè)量垂直方向上。當(dāng)傳感器測(cè)量垂直方向上的直線加速度時(shí)，質(zhì)量塊在的直線加速度時(shí)，質(zhì)量塊在絕對(duì)空間中相對(duì)靜止，而兩絕對(duì)空間中相對(duì)靜止，而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，此位移大小正比于生位移，此位移大小正比于被測(cè)加速度，使被測(cè)加速度，使c1，c2中一中一個(gè)增大，一個(gè)減小。個(gè)增大，一個(gè)減小。電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器20002CdatCdd002CdCd212Sdat 三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器測(cè)桿測(cè)桿固定電極

24、固定電極活動(dòng)電極活動(dòng)電極開槽片簧開槽片簧四、電容式液位傳感器四、電容式液位傳感器絕緣絕緣內(nèi)電極內(nèi)電極外電極外電極不導(dǎo)電液體不導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體絕緣絕緣內(nèi)電極內(nèi)電極外電極外電極總電容總電容C=C1+C2，帶材厚度發(fā)生變化時(shí)，帶材厚度發(fā)生變化時(shí)，C變化，變化，帶材的振動(dòng)不影響測(cè)量精度。帶材的振動(dòng)不影響測(cè)量精度。五、電容式測(cè)厚儀五、電容式測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀C+C+C CC CU U電容耦合電容耦合直流電壓輸出直流電壓輸出六、電容式壓力傳感器六、電容式壓力傳感器 工作原理工作原理將測(cè)量膜片與電容極板之將測(cè)量膜片與電容極板之間的電容差經(jīng)振蕩器振蕩、間的電容差經(jīng)振蕩器振蕩、調(diào)制解調(diào)、放大

25、器放大、調(diào)制解調(diào)、放大器放大、電壓電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電壓電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。用用 途途用于氣體、液體、蒸氣壓用于氣體、液體、蒸氣壓力的測(cè)量力的測(cè)量高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器電容式差壓變送器 1 1高壓側(cè)進(jìn)氣口高壓側(cè)進(jìn)氣口 2 2低壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口 3 3過(guò)濾片過(guò)濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波 紋隔離膜片紋隔離膜片 6 6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)壓硅油 7 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔電容式差壓變送器內(nèi)部

26、結(jié)構(gòu)電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 各種電容式差壓各種電容式差壓變送器外形變送器外形 法蘭法蘭利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位 差壓變送器差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：的壓力與液位成正比： p = g h電容差壓變送器用電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位于測(cè)量液體的液位 投入式水位計(jì)投入式水位計(jì)測(cè)量電路可裝于孔中，減小體積。此類電子秤，對(duì)測(cè)量電路可裝于孔中，減小體積。此類電子秤，對(duì)接觸面無(wú)要求，總誤差較小。接觸面無(wú)要求，總誤差較小。七、荷重傳感器（電容式電子秤）七、荷重傳感器（電容式電子秤）八、電容式液位計(jì)八、電容式液位計(jì) 棒狀電極（

27、金屬管）外面包裹聚棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。的電容變大。 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位變送器的區(qū)別液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè)定方

28、法十分簡(jiǎn)單：定方法十分簡(jiǎn)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(shí)，放開當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，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(shí)，當(dāng)水位高定。正常使用時(shí)，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(hào)和控制信號(hào)。號(hào)和控制信號(hào)。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指示燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源指示燈電源指示燈九、硅微加工加速度傳感器九、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量變

29、加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作慣性力或重力加速度。其工作電壓為電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測(cè)，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)量范圍為數(shù)個(gè)g g，可輸出與加速，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的比正比于加速度的PWM 脈沖。脈沖。微加工三軸加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：靈敏度：500mV/g ，量程：量程：10g，頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn)安裝諧振點(diǎn):8kHz ，分辨力：分辨力：0.00004g ， 重量：重量：200g ，安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm ，線性誤差

30、：線性誤差：1% 1% 硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1 加速度測(cè)試單元加速度測(cè)試單元 2 2 信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 3 3 襯底襯底 4 4 底層多晶硅（下底層多晶硅（下電極）電極） 5 5 多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6 頂層多晶硅（上頂層多晶硅（上電極）電極） 當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C C1 1、C C2 2呈差動(dòng)變化。與呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將C C 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高

31、。由于硅的彈性滯后很小，且體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz1kHz以上，允以上，允許加速度范圍可達(dá)許加速度范圍可達(dá)10g 10g 以上。以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，得的負(fù)加速度

32、值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感器裝有傳感器的假人的假人氣囊氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延時(shí)延時(shí)起爆的鉆地炸彈起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置十、濕敏電容十、濕敏電容 利用具有很大吸濕性

33、的絕緣材料作為電容傳利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使?jié)穸仍龃髸r(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為相對(duì)介電常數(shù)為8080），所以電容量增大。），所以電容量增大。 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濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容傳感器的安裝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 十一、電容式油量表十一、電容式油量表 機(jī)械式油量表：機(jī)械式油量表： 在