第5章 電容傳感器

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退出自動檢測與轉(zhuǎn)換技術2008-10-3

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第五章電容傳感器1、了解電容傳感器的工作原理；2、掌握電容傳感器的應用；3、了解電容接近開關的原理及應用；4、了解流量的測量方法。

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退出第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式

電容式傳感器的電容值變化的工作原理可以通過如圖所示的平板電容器來說明。當忽略邊緣效應時，電容器的電容值為

式中

A——兩極板相互遮蓋的有效面積；

d——兩極板間的距離，也稱為極距；

ε

——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；

εr——兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)

ε0——真空的介電常數(shù)結(jié)論：在A、d、ε三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。也就是說，電容量C是A、d、ε的函數(shù)，固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：變面積式、變極距式、變介電常數(shù)式。上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？2008-10-3

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退出一、變面積式電容傳感器

如圖是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。

設兩極板原來的遮蓋長度為a0,極板寬度為b,極距為d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當動極板隨被測物體移動x時，電容量將隨之改變。電容值為

式中，C0—初始電容值，C0=εba0/d

從式中可知，增大極板長度b，減小極距d，可提高靈敏度。但極距不可太小，否則容易引起短路。

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如圖是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。式中x—外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長度（m)；

r1、r2—外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒（或內(nèi)圓柱）外半徑，即它們的工作半徑（m)。

x變化時，電容量變化，靈敏度為圓柱線位移型電容器的電容為:

由上式可知，內(nèi)外圓筒的半徑越小，靈敏度越高。在實際應用時，外圓筒必須接地，這樣可以屏蔽外界電場干擾，并能減小人體及金屬體與內(nèi)圓筒的分布電容，以減小誤差。

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退出如圖是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。

當覆蓋面積對應的中心角為a、極板半徑為r時，覆蓋面積為：電容量為：其靈敏度為

上述可知，面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測量。

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退出二、變極距式電容傳感器

當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離δ

，從而使電容量發(fā)生變化。

實際使用時，總是使初始極距δ

0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。根據(jù)式如果

S

、

ε不變，當δ變化，引起電容量的變化為：

傳感器的靈敏度為：

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退出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，應使當d0小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變??？a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關系1—定極板2—動極板

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退出差動電容傳感器

為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性

，常采用差動結(jié)構(gòu)外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消

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退出三、變介電常數(shù)式

當相對介電常數(shù)為εr的介電質(zhì)的厚度為δ時，其電容值為

δx

設固定極板長度為a、寬度為b、兩極板間的距離為δ；被測物的厚度和它的介電常數(shù)分別為δx和ε

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因為各種介質(zhì)的相對介電常數(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同。

表5-1幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)

根據(jù)表5-1，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？2008-10-3

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退出一、橋式電路

第二節(jié)

電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

圖（b）中，設

圖a)為單臂接法的橋式測量電路，電路中的高頻電源經(jīng)變壓器接到電容電橋的一條對角線上，電容C1、C2、C3、CX構(gòu)成電橋電路的4個橋臂，其中CX為電容傳感器。當無信號輸入時，交流電橋平衡，即C1/C2=CX/C3，輸出電壓=0。當CX改變時，則U0

≠0，有電壓輸出。

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退出

缺點：由于電路輸出為交流電，應進行相敏檢波后，才能辨別位移方向。

對于變間隙式差分電容傳感器經(jīng)分析推導可得：

優(yōu)點：把變間隙式電容傳感器的位移與電容的非線性關系

轉(zhuǎn)化為位移與輸出電壓的線性關系。

可得：

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調(diào)頻電路將電容式傳感器作為

LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率

f

產(chǎn)生相應的變化。

電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？二、調(diào)頻電路2008-10-3

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退出第三節(jié)電容式傳感器的應用

電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個變

量，電容量C就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。

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一、電容測厚儀

電容測厚儀可以用來測量金屬帶材在扎制過程中的厚度的儀器，其工作原理如圖所示。

1-金屬帶材2-電容極板3-傳動輪4-軋棍

返

回

測厚時，在被測金屬帶材的上、下兩側(cè)各安裝一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣金屬帶材的上下兩個表面與上下兩個極板分別形成電容。其總的電容量C就應是兩個極板的電容之后（C=C1+C2）。如果帶材的厚度發(fā)生變化，用交流電橋?qū)⑦@一變化檢測出來，然后經(jīng)放大就可以在相應的顯示儀表上把帶材的厚度變化顯示出來2008-10-3

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退出二、硅微加工加速度傳感器

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）

在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。

當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。

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退出加速度傳感器在汽車中的應用加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動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。

裝有傳感器的假人氣囊2008-10-3

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退出利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置2008-10-3

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退出三、濕敏電容

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。當相對濕度增大時，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)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

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退出四、電容式油量表分析油量表工作原理：1、當油箱中無油時，電容傳感器的電容量Cx=Cx0，調(diào)節(jié)匹配電容使C0=Cx0，R4=R3；并使調(diào)零電位器RP的滑動臂位于0點，即RP的電阻值為0。此時，電橋滿足Cx/C0=R4

/R3的平衡條件，電橋輸出為零，伺服電動機不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角θ

=0。2008-10-3

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2、當油箱中注滿油時，液位上升至h處，Cx=Cx0+Cx，而Cx與h成正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電動機，再由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動RP的滑動臂移動，從而使RP阻值增大，Rc

d

=R3+RP也隨之增大。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為θ處。3、由于指針及可變電阻的滑動臂同時為伺服電動機所帶動，因此，RP的阻值與θ

間存在著確定的對應關系，即θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位高度h，因此可直接從刻度盤上讀得液位高度h。2008-10-3

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4、當油箱中的油位降低時，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同時帶動RP的滑動臂移動，使RP阻值減小。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動機再次停轉(zhuǎn)，指針停留在與該液位相對應的轉(zhuǎn)角θ處。5、從以上分析得到涉及“閉環(huán)控制”的結(jié)論：放大器的非線性及溫漂對測量精度影響不大。

該油量表在傾斜狀態(tài)時可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機油箱2008-10-3

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退出五、電容式接近開關

被檢測物體可以是導電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）

；可以是接地的，也可以是不接地的。

調(diào)節(jié)接近開關尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。

齊平式非齊平式

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退出電容式接近開關在液位測量控制中的使用2008-10-3

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退出電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示2008-10-3

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退出第四節(jié)壓力和流量的測量

一、壓力的基本概念

物理學中的“壓強”在檢測領域和工業(yè)中稱為“壓力”.壓力分類：（1）絕對壓力傳感器

它所測得的壓力數(shù)值是相對于密封在絕對壓力傳感器內(nèi)部的基準真空而言的。當絕對壓力小于101kPa時，可以認為是“負壓”，所測得壓力相當于真空度。（2）差壓傳感器

差壓是指兩個壓力p1和p2之差，又稱為壓力差。當差壓表兩側(cè)面均向大氣敞開時，差壓等于零。（3）表壓傳感器

表壓傳感器常稱為壓力傳感器。它以環(huán)境大氣壓為參考基準，將差壓傳感器的一側(cè)向大氣敞開，就形成表壓傳感器。

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退出二、電容式差壓變送器差動電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)的核心部分是一個變極距差動式電容傳感器。

1—高壓側(cè)進氣口2—低壓側(cè)進氣口

3—過濾片4—空腔5—柔性不銹鋼波

紋隔離膜片6—導壓硅油7—凹形玻璃圓片8—鍍金凹形電極9—彈性平膜片10—

腔當被測壓力p1、p2由兩側(cè)的內(nèi)螺紋壓力接頭進入各自的空腔，該壓力通過不銹鋼波紋隔離膜和導壓硅油，傳導到“δ腔”。彈性平膜片由于受到來自兩側(cè)的壓力之差，而凸向壓力小的一側(cè)。在δ腔中，彈性膜片與兩側(cè)的鍍金定極之間的距離很小（約0.5mm左右），所以微小的位移（不大于0.1mm）就可以使電容量變化100pF以上。測量轉(zhuǎn)換電路（相敏檢波器）將此電容量的變化轉(zhuǎn)換成4～20mA的標準電流信號，通過信號電纜線輸出到二次儀表。2008-10-3

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退出各種電容式差壓變送器外形

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退出三、利用電容差壓變送器測量液體的液位

差壓變送器

電容差壓變送器的高壓側(cè)（p1）進氣孔及低壓側(cè)（p2）進氣孔通過管道與儲液罐相連，就組成差壓式液位計p1=p0+ρg(h-h0）p2=p0則：p=p1-p2=g(h-h0）投入式水位計2008-10-3

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退出四、流量的基本概念流量的定義：

流體在單位時間內(nèi)通過某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)，分別稱為體積流量qV和質(zhì)量流量qm。這種單位時間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時流量q。

把瞬時流量對時間t進行積分，求出累計體積或累計質(zhì)量的總和，稱為累積流量，也叫總量。流速法測量流量：流速