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1、电容式传感器,电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 优点： 结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作； 可非接触测量； 灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量； 极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度； 缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。,电容式传感器的工作原理及结构类型 电容式传感器的应用,电容式传感器的工作原理及结构类型,一、工作原理及结构类型 二、变间隙式电容传感器 三、变面积式电容传感器 四、变介电常数式电容传感器 五、电容式传感器的分类 六
2、、电容式传感器的输出特性,一、工作原理及结构类型 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。 多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应，电容器的电容量 ：,S 两平行极板所覆盖的面积； D 两平行极板之间的距离； 极板间介质的介电常数； 0 真空介电常数（8.85410-12 Fm-1） r 介质相对真空的介电常数， r空气1，其它介质r 1。,当被测量使得S 、d 或 发生变化时，电容量C 也随之变化。一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。,电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介
3、电常数式。,（a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式； （g）、（h）变介电常数式,二、变间隙式电容传感器,初始电容,当dd0时，可简化为,这时C 与d 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成d 在极小的范围内变化。此外由曲线图可以看出，d0 越小，灵敏度越高。灵敏度,若电容器极板距离由初始值 d0 变化了d ，d1 = d0d ，其电容量,一般电容式传感器的起始电容在2030pF 之间，极板距离在25200 m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。此类电容传感器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测0.01m 的线位移。,在实际应用中，为了提高
4、传感器的灵敏度和克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式。当动极板移动后，C1 和C2 成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。差动式可使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。,差动式平板电容器中, 当动极板位移d时, 电容器C1的间隙d1变为d0-d, 电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则,电容值相对变化量：,灵敏度提高一倍, 非线性误差大大降低。,三、变面积式电容传感器,包括角位移和线位移（平面线位移、圆筒线位移）,变面积式电容传感器输入输出成线性关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用
5、于较大直线位移及角位移测量。,1. 角位移 当动极板有一个角位移时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当0 时，则,当0时，则,这种形式的传感器电容量C与角位移是成线性关系的。,灵敏度：,2. 平面线位移 极板起始覆盖面积为Sab，,沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边缘效应，改变后的电容量为,初始电容：,C与x成线性关系,增加极板长度b、减小极板间距d都可以提高灵敏度K ； 减小极板宽度a可提高相对灵敏度KC ，而极板起始覆盖长度b与相对灵敏度KC 无关。但a不能太小，必须保证ad ，否则边缘不均匀电场影响将增大。,相对灵敏度,灵敏度,灵敏度、相对灵敏
6、度均为常数。,平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距 d 变化，影响测量精度。因此在一般情况下，变面积式电容传感器常做成圆筒形的。,右图为齿形极板，也是变面积式电容传感器。可增加遮盖面积，提高分辨率和灵敏度。,当极板的齿数为n时，,灵敏度为,为单极板的n倍。,移动x后,四、变介电常数式电容传感器,（a）图为测电介质厚度x；（b）图为测位移量x；（c）图为测液面位置和液量；（d）图为根据介质的介电常数随温度、湿度、容量改变来测温度、湿度、容量等。 以（b）为例，其电容量为,式中 b 极板宽度。,设在电极中无2 介质时的电容量为 C0 ，即,表明电容量 C 与位
7、移 a 成线性关系。,变介质型电容式传感器 如图所示，一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。 设被测介质的介电常数为1, 液面高度为h, 变换器总高度为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为,式中：空气介电常数; C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, C0= 。 由式可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。,电容式传感器的应用,电容式传感器因灵敏度高、响应时间短、结构简单、能在恶劣条件下工作、可非接触测量等优点，广泛应用于位移、振动、加速度、角度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。,一、转速测量
8、,1 齿轮 （动极板） 2 定极 3 电容传感器 4 频率计,二、电容式差压传感器（差压变送器）,它由金属弹性测量膜片7与凹型绝缘体5（陶瓷、玻璃等）上金属膜6（镀金）组成两室结构，室内充满硅油。金属弹性膜片7为动极板，凹型绝缘体上的金属膜6为定极板，构成差动变间隙电容传感器。,1、4波纹隔离膜片；2、3基座； 5玻璃层；6金属膜；7弹性测量膜片,用途：测量压力差。 原理：当左右隔离膜片分别承受两个压力产生变形时，被测压力 通过隔离膜片及硅油导入空腔，施加在作为动极板的金属弹性膜片两侧。当这两个压力不同时，弹性膜片两侧有压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个定极板与动极板间的电容
9、量。,这种传感器的灵敏度和分辨率都很高。其灵敏度取决于初始间隙 d0 ， d0 越小灵敏度越高。其动态响应主要取决于弹性膜片的固有频率。若接入差动电桥，输出电压与压力差成线性关系，且与介质的介电常数无关。,三、电容式加速度传感器,左图是一种差动电容式加速度传感器的工作原理图。传感器由两个差动电容组成，上极板与悬臂梁构成 C1 ，悬臂梁与下极板构成 C2 。当加速度为零时，悬臂梁处在上、下极板的中间位置，C1C2 ；当有加速度存在时，由Fma，有一惯性力F作用在悬臂梁上，悬臂梁产生变形，与两定极板的距离发生变化，于是 C1C2 。,a = 0 a 0,右图是另一种差动电容式加速度传感器的结构示意
10、图。上下各有一固定电极1、2，作为上、下定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，上下端面磨平抛光后作为动极板。,2020/7/11,第四章 非电量的电测技术,22,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,2020/7/11,第四章 非电量的电测技术,23,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法：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,2020/7/11,第四章 非电
11、量的电测技术,24,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源指示灯,第四章 非电量的电测技术,(1)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,第四章 非电量的电测技术,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 。,在被测体的两个固定点上，安装两个薄而低的拱形弧板，两个拱形弧板的曲率略有差别，两个长方形电极板固定在拱形弧板的
12、中央。安装时应注意两个极板保持平行并平行于安装传感器的平面。 拱形弧板具有一定的放大作用，当两固定点受压缩（两点距离减小）或受拉伸（两点距离增大）而产生位置变化时，电容极板间距发生变化（受压缩时极距变小、受拉伸时极距变大），从而使电容值变化。 拱形弧板一般用镍合金制造。,四、电容式应变计,对于某些被测物由于受力而产生的形变或受温度影响的膨胀、收缩，可以采用电容式形变传感器（或称电容式应变计）测量，以弥补某些条件下电阻应变片测量的不足。,在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变。 主要用于重负载。,五、电容式荷重传感器,六、电容式振
13、动、位移测量仪,下图为DWY-3型振动、位移测量仪用于测量旋转轴的回转精度和振摆示意图。该仪器主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复机构的运动特性和定位精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度等。,引申小知识,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？如果打开收音机的后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器。当你顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，如图所示，谐振频率也随之改变,从而可以从550kHz逐渐增加到1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台。在数字式收音机中，是用变容二极管来调谐电台的。 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测量位移的传感器来使用。,电容传感器的容量与投影面积的关系演示,
