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1、 传感器原理与应用第三章 电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许 多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测 量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量 力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动 检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。 3 3.4 .4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 传感器原理与应用第三章 图图3-24 3-24 电容式差
2、压传感器电容式差压传感器 差动型差动型 凹玻璃圆片凹玻璃圆片 弹性膜片弹性膜片( (动电极动电极) ) 固定电极固定电极 P 例例3-2 3-2 电容式压差传感器电容式压差传感器 P 弹性膜片弹性膜片( (动电极动电极) ) 固定电极固定电极 图图3-253-25电容式压力传感器电容式压力传感器 单只变间隙型单只变间隙型 传感器原理与应用第三章 当当P PH H = =P PL L 时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容 均为均为C C 0 0 ；当；当P PH H P PL L 时，中心膜片上凸，上部电容为时，中心膜片上凸，上部电容为C C L L ，
3、下部电容为下部电容为C CH H。 。C CH H 相当于当前膜片位置与平直位置间 相当于当前膜片位置与平直位置间 的电容的电容C C A A 和和C C 0 0 的串联；而的串联；而C C 0 0 又可看成是膜片上部电容又可看成是膜片上部电容C C L L 与的与的C C A A 串联。串联。 hmax d0 CA CL CH C0 PH PL CA CL CH C0 C0 CA 等效电路等效电路 传感器原理与应用第三章 即：即： 需要解决的问题是：需要解决的问题是：中心膜片处于平直状态时，中心膜片处于平直状态时， C C0 0 = =C C( (d d 0 0 )=?)=?；当当P PH
4、H P PL L 模片上凸模片上凸h hmax max时， 时，C C A A = =C C( (h h)=?)=? hmax d0 CA CL CH C0 PH PL 传感器原理与应用第三章 R b a db d0 实线为球冠型 固定电极 设膜片半径为设膜片半径为a a，球冠形固定球冠形固定 电极的半径为电极的半径为R R，固定电极的固定电极的 实际拱底半径为实际拱底半径为b b，拱底距膜拱底距膜 片的距离为片的距离为d d b b ，当，当d d 0 0 R R时：时： 在在P PH H - -P PL L 作用下中心膜片的上凸量作用下中心膜片的上凸量h h近似为近似为: : 计算点半径
5、传感器原理与应用第三章 而而C C A A 为：为：( (积分求解过程省略积分求解过程省略) ) 利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U U 0 0 输出输出U U 0 0 与差与差 压压P PH H - -P PL L 成正成正 比。比。 而而 所以所以 传感器原理与应用第三章 例例3-3 3-3 电容式称重传感器电容式称重传感器 图图3-26 3-26 电容式称重传感器电容式称重传感器 绝缘材料绝缘材料 定极板定极板 动极板动极板 极板支架极板支架 弹性体弹性体 传感器原理与应用第三章 在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排在弹性钢体上高
6、度相同处打一排孔，在孔内形成一排 平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔 变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增 大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的 结果是平均作用力的变化，结果是平均作用力的变化， 测量误差大大减小测量误差大大减小 （误差平均效应）（误差平均效应） 图3-27 电容式称重传感器 F 传感器原理与应用第三章 两个两个固定极板固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块间有一个用弹簧片支撑的质量块mm，质质 量块的两端面经抛
7、光后作为量块的两端面经抛光后作为动极板动极板，当传感器测量，当传感器测量竖竖 直方向直方向的振动时，由于的振动时，由于mm的惯性作用，使其相对固定的惯性作用，使其相对固定 电极产生位移，两个差动电容器电极产生位移，两个差动电容器C1C1和和C2C2的电容发生的电容发生 相应的变化相应的变化, ,其中一个变大，另一个变小。其中一个变大，另一个变小。 例例3-4 3-4 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 传感器原理与应用第三章 图图3-28 3-28 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 弹簧片弹簧片 定极板定极板2 2 质量块（动极板） 定极板定极板1 1 绝缘体绝缘体 a C1 C2 m
8、传感器原理与应用第三章 例例3-63-6 电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用 电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用 传感器原理与应用第三章 a)测振幅 b)测轴回转精度和轴心偏摆 被测物振动电容式 传感器 被测轴 电容式 传感器 传感器原理与应用第三章 电容式液位计电容式液位计 电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大 小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物 位测量。位测量。对导电介质和非导电介质都能测量对导电介质和非导电介质都能测量，此外还，此外还 能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液
9、位。不仅可能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可 作液位控制器，还能用于连续测量。作液位控制器，还能用于连续测量。 传感器原理与应用第三章 (1)(1)安装形式安装形式 电容式液位计的安装形式因被电容式液位计的安装形式因被 测介质性质不同而有差别测介质性质不同而有差别 右图为用来测量导电介质的右图为用来测量导电介质的 单电极电容液位计，它只用一单电极电容液位计，它只用一 根电极作为电容器的内电极，根电极作为电容器的内电极， 一般用紫铜或不锈钢，外套聚一般用紫铜或不锈钢，外套聚 四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为 绝缘层，而导电液体和容器壁绝缘层，而导电液体和容器壁 构
10、成电容器的外电极。构成电容器的外电极。 1-1-内电极；内电极；2-2-绝缘套绝缘套 传感器原理与应用第三章 图为用于测量非导电介质的图为用于测量非导电介质的 同轴双层电极电容式液位计同轴双层电极电容式液位计 。内电极和与之绝缘的同轴。内电极和与之绝缘的同轴 金属套组成电容的两极，外金属套组成电容的两极，外 电极上开有很多流通孔使液电极上开有很多流通孔使液 体流入极板间。体流入极板间。 1 1、2-2-内、外电极；内、外电极； 3-3-绝缘套；绝缘套； 4-4-流通孔流通孔 传感器原理与应用第三章 以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊 场合还
11、有其它特殊安装形式，如场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电大直径容器或介电 系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用 一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构 成电容器的两极；成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装在测大型容器或非导电容器内装 非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安 装构成电容；装构成电容； 传感器原理与应用第三章 在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低 。可取。可取
12、同轴多层电极结构同轴多层电极结构，把，把奇数层和偶数层的圆筒奇数层和偶数层的圆筒 分别连接在一起成为两组电极分别连接在一起成为两组电极，变成，变成相当于多个电容相当于多个电容 并联并联，以增加灵敏度。以增加灵敏度。 传感器原理与应用第三章 图图3-29 3-29 电容式料位传感器电容式料位传感器 D d 检测电路 测定电极 储罐 0 1h 例例3-5 3-5 电容式料位和液位传感器电容式料位和液位传感器 测定电极安装在金属储罐的顶测定电极安装在金属储罐的顶 部，储罐的罐壁和测定电极之部，储罐的罐壁和测定电极之 间形成了一个电容器。间形成了一个电容器。 传感器原理与应用第三章 上图中电容随料位高
13、度上图中电容随料位高度 h h 变化的关系为：变化的关系为： 式中式中 k k比例常数；比例常数； D D储罐的内径；储罐的内径； d d测定电极的直径；测定电极的直径； h h被测物料的高度；被测物料的高度； 0 0 空气的相对介电常数；空气的相对介电常数； 1 1 被测物料的相对介电常数；被测物料的相对介电常数； 可以看出，两种介质的介电常数差别越大、可以看出，两种介质的介电常数差别越大、DD与与 d d 相差越相差越 小，传感器的灵敏度越高。小，传感器的灵敏度越高。 传感器原理与应用第三章 电容式传感器电容式传感器 完全固定结构完全固定结构 rr 大尺寸大尺寸 rr 受金属部件影响受金属
14、部件影响 rr 受噪音干扰受噪音干扰 霍尼韦尔液位传感器霍尼韦尔液位传感器 传感器原理与应用第三章 油量测量油量测量 当燃油增大，当燃油增大，h h 2 2 增大，增大，C C也增也增 大；燃油减少，大；燃油减少，h h 2 2 减少，减少，C C也也 减小。减小。通过测量电容的大小就能通过测量电容的大小就能 知道油量的多少。知道油量的多少。 圆柱型电容传感器的电容为圆柱型电容传感器的电容为 传感器原理与应用第三章 图图7-23 7-23 电容式料位计电容式料位计 1-1-金属电容；金属电容； 2-2-测量电极；测量电极； 3-3-辅助电极；辅助电极； 4-4-绝缘套绝缘套 电容式料位计电容式
15、料位计 电容式料位计不仅能测不同性电容式料位计不仅能测不同性 质的液体，而且还能测量不同质的液体，而且还能测量不同 性质如块状、颗粒状、粉状、性质如块状、颗粒状、粉状、 导电性、非导电性的物料。但导电性、非导电性的物料。但 因固体摩擦力大，容易因固体摩擦力大，容易“ “滞留滞留” ” ，产生虚假料位，因此一般不，产生虚假料位，因此一般不 使用双层电极，而是只用一根使用双层电极，而是只用一根 电极棒。电极棒。 传感器原理与应用第三章 电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化 或掺有杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。或掺有杂质时，会引
16、起介电常数变化，产生测量误差。 为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅辅 助电极助电极始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极( (也也 称主电极称主电极) )可以同轴，也可以不同轴。设辅助电极长可以同轴，也可以不同轴。设辅助电极长L0L0 ，它相对于料位为零时的电容变化量为，它相对于料位为零时的电容变化量为 ： 传感器原理与应用第三章 主电极的电容变化量为主电极的电容变化量为C C x x ，则有：则有： 由于由于L L 0 0 是常数，因此是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比料位变化仅与两个电容变化量之比 有关有关，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅 助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而
