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1、电参数传感器 第三部分 大家都用过收音机，当你搜寻电台时有没有想过 ，收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？如果 打开收音机后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是 一个旋转式可变电容器。当你旋转调谐旋钮时，可 变电容器动片就随之转动，改变了与定片之间的覆 盖面积，从而可以从一个电台转换到另一个电台。 电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量 电测中作为传感器来使用。 第六节 电容传感器 优点； 可获得较大的相对变化量，比如应变电阻相对变化量小于 1%，而电容传感器相对变化量可达到100%或更大些。 能在恶劣环境条件下工作（高温、低温、强辐射） 发热的影响小（激励源功率小，介质为真空、空气、其它
2、 气体） 动态响应快 缺点； 1、输出阻抗高，负载能力差 2、寄生电容影响大 3、输出特性非线性 上式中，哪几个参量是变量？可 以做成哪几种类型的电容传感器？ 电容传感器的基本理想公式为 + + + S 一、 电容式传感器的工作原理 改变A、d、 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。 电容传感器的基本理想公式为 分类 c) 介质变化型 a) 极距变化型; + + + b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型. + + + + + + 一、变面积式电容传感器 图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移
3、动 ，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线 运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而 旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容 量也随之减小。 1.变面积（S）型 .角位移式 当转角当转角 时：时： 当转角当转角 时：时： 灵敏度灵敏度 .直线位移式 极板起始极板起始 遮盖长度遮盖长度 初始时初始时 当其中一个极板移动距离为当其中一个极板移动距离为x x时时， 灵敏度 2.变介电常数()型 因为各种介质的介电常数不同,如空气的相对 介电常数略大于1，纯净水介电常数为80，变压器油 和
4、干的纸介电常数约为24.在两电极间加以空气以 外的其它介质。当它们之间的介电常数发生变化时, 电容量也随之改变。这种传感器常用来检测容器中 的液面高度,片状材料的厚度等。 例如电容液面计，当被测液体的液面在两个同心 圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同 介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体 ）的高度变化，而导致总的电容量的变化。 电容液位计 总电容C等于液体介质间电容量与气体介质间电容量之 和。 C C与液位高度与液位高度h h 1 1 成正比成正比 2、变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电 容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就 不同。 表5-1 几
5、种介质的相对介电常数 3、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移 时，改变了两极板之间的距离d，从而使电 容量发生变化。 实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些 ，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容 器的行程较小的缺点。 这里用0=d0推导一下有关公式。 变极距（d）型 根据罗朗级数展开式电容微位移计 忽略高次项忽略高次项 灵敏度灵敏度： 线性度线性度： 由上面两式知，0减少可使灵敏度K增大，但非线性误差 也增大。因此常采用差动式结构，以提高灵敏度，减少非线性误差。 近年来，随着计算机技术的发展，电容传感器大多都配置了单 片机，所以其非线性误差可用微机来计算修正。 4差动电容传
6、感器 为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常 常把传感器做成差动形式。中间一片为动片，两边 的两片为定片，当动片移动距离X后，一边的间隙 变为d-x,另一边的则变成d+x。圆筒形的也是一个 道理，只是中间为动片，上下两个圆筒是定片，当 动片上移，必然上极片遮盖面积增加，而下极片遮 盖面积减小，两者变化的数值相等，反之亦然。 差动变极距（）型 电容传感器 差动变面积（S）型 电容传感器 为了提高灵敏度，可以缩小极距d使电容量加 大，但d太小容易引起电容器击穿，一般可以在 极板间放置云母片，因为云母的介电常数是空气 的7倍，云母的击穿电压不少于103KVmm，而空 气才3KV/mm，厚度仅为0.0
7、1mm的云母片击穿电压 也不小于10KV。 二、电容传感器的一些特殊问题 1电容器极板间的介质应选择介电常数较稳定的 材料 2电容传感器中一些量的变化范围 一般变极距式电容传感器起始电容量 设置在十几皮法（PF）至几十皮法(PF)、极 距d设置在1001000m的范围内较为妥当。 最大位移应该小于两极板间距的110。变极 板工作面积的传感器，可测厘米级位移。输 出阻抗在106-108欧姆之间，频率一般在50KHZ 以上。 3提高灵敏度的一些措施 提高电源频率从数十KH数MH 以降低容抗及对绝缘 电阻要求； 用双层屏蔽线，将电路(例如集成电路)同电容传感器装 在一个金属壳体中，可减小寄生电容和外
8、界干扰静电场 、交变电磁场 的影响； 减小极板厚度可削弱边缘效应。 三、电容传感器的测量电路 （1）初态时：电桥调整到 平衡状态，此时C1C3=C2CX， Uo=0。 （2 2）工作时：）工作时： C CX X 发生变发生变 化，电桥不平衡；即化，电桥不平衡；即 C CX X 变变 化一个化一个 C CX X ，则电桥输出则电桥输出 UU o o ，电容变化量越大，电容变化量越大， 电桥输出电压越大，输电桥输出电压越大，输 出电压能线性反映电容出电压能线性反映电容 量的变化。量的变化。 电容传感器在实际应用中可接在不同的测量电路中 ，分述如下： 1桥式电路 2. 差动桥 （1）初态时：两传感器
9、电容C1=C2=C0， C1= C2= C=0， （1）初态时：两传感器电容C1=C2=C，此时电 桥空载输出，即电桥处于平衡状态。 （2）工作时 ： 工作时传感器两电容值发生等值反向变化，电 桥失去平衡；且电容变化量C越大，不平衡电 桥输出电压Uo也越大，两者亦呈线性关系。 三、差动脉冲调宽电路 基本RS触发器 S R Qn+1 0 0 不定 0 1 1 1 0 0 1 1 不变 C1、 C2为差动电容传感器的两个电容敏感元件 。 在差动电容C1、C2 值不相等时，则C1、C2充电时间常数 就发生改变，输出电压U0AB的平均电压值就不再是零 。 设设 若若 通过推导，在C1C2时，由于C充放
10、电时间不同 ，会输出一个直流电压，约为输出脉冲电压的平均值 ，大小为U0=（C1-C2/C1+C2）U1， 代入平板电容器公式，则对变间隙传感器， 为U0=（d2-d1/d1+d2）U1,当C1=C2=C0时，d1=d2=d, 则U0=0，当C1C2时，则d1=d0-d，d2= d0+d,U0=(d/d)U1，d为电容动片的微小位移。 同理，对变面积传感器有 U0=(S/S)U1 根据以上分析，脉冲宽度电路有如下特点 ： （1）对敏感元件的线性要求不高。不论是变气隙式 或变面积式，其输出都与输入变化量成线性关系。 （2）不需要特殊电路，只要经过低通滤波器就可以得到 较大的直流输出。 （3）不需
11、要高频发生装置。 （4）调宽频率的变化对输出无影响。 （5）由于低通滤波器的作用，对输出矩形波纯度要求不高。 3.电容式传感器的谐振电路 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 。 电容式传感器的谐振电路与电涡流传感 器有何区别？式中哪些量是变量？ a) 原理图 b) 特性曲线 电 容 传 感 器 谐 振 电 路 这样的电路有很高的灵敏度。电容传感器 稍有输入时，就会使输出电压发生急剧变化。 高频电源经变压器T供给L、C、Cx构成的谐 振回路，输出电压U经放大由仪表测出。改变C，使 振荡回路调节在
12、和振荡器频率相接近的频率，并 让它的电压U0为谐振电压的一半N（C0点）这样保证 仪表指示与输入量引起的电容变化量Cx的线性关 系及输入与输出的单值关系。 四、 电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距x 、相对面积A 和极间介电常数 。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想 办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数 的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到 非电量电测的目的。 晶 体 管 电 容 料 位 指 示 仪 原 理 图 信号转换是通过阻抗平衡电桥实现的。 电容传感器是悬挂在料仓里的金属探头，利用它对大地的分布电容进行检测 。 信号转换是
13、通过阻抗平衡电桥实现的，当 C2C4=CxC3电桥平衡。（由调整C4得）当料面Cx ，电桥失去平衡，输出交流信号经VT2放大，由VD检 波成直流信号。当其幅值达到一定值时，使触发器 翻转， VT4饱和，继电器吸合，其触点控制相应电 路和指示灯，指示料面已达某一定值。 液位限位传感器的设定 智能化液位传感器 的设定方法十分简单： 用手指压住设定按 钮，当液位达到设定值时 ，放开按钮，智能仪器就 记住该设定。正常使用时 ，当水位高于该点后，即 可发出报警信号和控制信 号。 设定按钮 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构 。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。 底
14、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 上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁 。 当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试 单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出 电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于 硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达 1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器 ，就可以测量三维方向的振动或加速度。 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， 微处理器据此
15、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 器的假人 气囊 汽车气囊的保护作用 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 。 汽车气囊对驾驶员的保护作用 利用加速度传感器实现 延时 起爆的钻地炸弹 传感器安装位置 出去活动一下 第七节 光电阻传感器 光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。 若用这种传感器测量其它非电量时，只要将被测非电量的变 化转换成光信号的变化即可。此种测量方法具有结构简单、 非接触、高可靠性、高精度和反映快等优点。 一、光电元件 光电元件的理论基础是光电效应。光可以被看作是 一连串具有一定能量的粒子(称光子)所构成的。 1905年德国物理学 家爱因斯坦用光量子学 说解释
