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1、机电类自动检测技术及应用多媒体课件（共（共13统一书号：统一书号：ISBN978-7-111-34300-4课程配套网站www.sensor-或或2012年年7月版月版9/1/20231第五章第五章 电容传感器电容传感器本章介绍电容传感器的分类、结构、基本章介绍电容传感器的分类、结构、基本原理及应用，本原理及应用，重点介绍重点介绍FM调频电路调频电路。还介绍还介绍硅微机械加工技术硅微机械加工技术制作的摆式硅微制作的摆式硅微电容加速度传感器，电容加速度传感器，电容接近开关电容接近开关，以及，以及压力、液位、流量压力、液位、流量的基本概念，测量方法的基本概念，测量方法等。等。9/1/202325.
2、1 电容传感器工作原理及结构形式电容传感器工作原理及结构形式5.2 电容传感器的测量转换电路电容传感器的测量转换电路5.3 电容传感器的应用电容传感器的应用5.4 压力、液位和流量的测量压力、液位和流量的测量 第五章第五章 电容传感器电容传感器 目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入9/1/20233第一节第一节 电容式传感器的电容式传感器的工作原理及结构形式工作原理及结构形式电容传感器以各种类型的电容器作为传感器电容传感器以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测物理量转换为电容量的变化，再元件，将被测物理量转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。经测量转换电路转换为电压
3、、电流或频率。电容传感器具有如下优点：电容传感器具有如下优点：（1）可获得可获得100%以上的相对变化量以上的相对变化量。（2）能在恶劣的环境条件下工作。）能在恶劣的环境条件下工作。（3）所需的激励源功率小所需的激励源功率小，本身发热问题可，本身发热问题可不予考虑。不予考虑。（4）动态响应比电感传感器快动态响应比电感传感器快。9/1/20234电容器在收音机中的应用电容器在收音机中的应用并联在收音机并联在收音机LC谐振电路的电感两端的电容谐振电路的电感两端的电容量越大，所接收到的电台的频率就越低。量越大，所接收到的电台的频率就越低。电容器在收音机中，用于改变谐振频率，电容器在收音机中，用于改变
4、谐振频率，从而调整所要接收的电台。从而调整所要接收的电台。9/1/20235变容二极管在收音机中的应用变容二极管在收音机中的应用并联在变容二极管两端的反向偏置电压越大，并联在变容二极管两端的反向偏置电压越大，PN结结就越厚，上下极板（就越厚，上下极板（P极和极和N极）的极）的“间距间距”就越大，就越大，等效电容就越小，收音机谐振电路的频率就越低。等效电容就越小，收音机谐振电路的频率就越低。9/1/20236第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式电容传感器的工作原理可以用平板电容器来电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为说明
5、。当忽略边缘效应时，其电容为式中式中A两极板相互遮盖的有效面积（两极板相互遮盖的有效面积（m2）；）；d两极板间的距离，也称为极距（两极板间的距离，也称为极距（m）；）；两极板间介质的介电常数（两极板间介质的介电常数（F/m）；）；r两极板间介质的相对介电常数；两极板间介质的相对介电常数；0真空介电常数真空介电常数,0=8.85 10-12(F/m)9/1/20237电容器的边缘效应电容器的边缘效应理想电容器的理想电容器的电场线是直线电场线是直线,而实际电容器只而实际电容器只有中间区域是直线有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电
6、场线到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时，基板面积较小时，将引起测量误差将引起测量误差。9/1/20238三种类型的电容传感器三种类型的电容传感器在在A、d、三个参量中，改变其中任意一个三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量，均可使电容C 改变改变。也就是说，电容。也就是说，电容C 是是A、d、的函数，这就是电容传感器的基本工作原的函数，这就是电容传感器的基本工作原理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下三种类型的电容传感器：三种类型的电容传感器：变面积式电容传感器变面积式电容传感器
7、、变极距式电容传感器变极距式电容传感器、变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器。9/1/20239一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器CCCd0A xxd01定极板定极板 2动极板动极板 3外圆筒外圆筒 4内圆筒内圆筒 5导轨导轨 6测杆测杆 7被测物被测物 8水平基准水平基准9/1/202310变面积式电容传感器简析变面积式电容传感器简析图图a是是平板形直线位移式结构平板形直线位移式结构，其中极板，其中极板1可以左右可以左右移动，称为动极板。极板移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图固定不动，称为定极板。图b b是是同心圆筒同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒
8、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。在外圆筒内作上、下直线运动。9/1/202311平行板形变面积式电容传感器的容量变化平行板形变面积式电容传感器的容量变化设两极板原来的遮盖长度为设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为，极板宽度为b，极距固定为，极距固定为d0，当动极板随被测物体向左移，当动极板随被测物体向左移动动x后，两极板的遮盖面积后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随将减小，电容也随之减小，电容之减小，电容Cx 为为式中式中C0初始电容值初始电容值在变面积电容传感器中，在变面积电容传感器中，电容电容Cx与直线位移与直线位移x成正比成正比。9/1/202312
9、角位移式的结构角位移式的结构1-1-动极板动极板 2-2-定极板定极板极板极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，度时，两极板的遮盖面积两极板的遮盖面积A A 就减小，因而电容量也随之减小。就减小，因而电容量也随之减小。保持极距保持极距d0不变不变C角位移角位移A9/1/202313圆筒形直线位移传感器圆筒形直线位移传感器外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设内圆筒的设内圆筒的外半径外半径、外圆筒的、外圆筒的内半径内半径分别为分别为R和和r，两，两者原来的遮盖长度为者原来的遮盖长度为h0，电容
10、量与位移成正比：，电容量与位移成正比：CxAA9/1/202314变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的输出特性在变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围一小段范围内是线性的内是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。CAA1-实际特性实际特性2-理论特性理论特性9/1/202315二、变极距式电容传感器二、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变了两极板之间的距离d d，从而使电容
11、量发生，从而使电容量发生变化。变化。实实际际使使用用时时，总总是是使使初初始始极极距距d0尽尽量量小小些些，以以提提高高灵灵敏敏度度，但但这这也也带带来来了了变变极极距距式电容器的式电容器的行程较小的缺点行程较小的缺点。9/1/202316变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使为了提高灵敏度，应使d d0 0小一小一些为好些为好，但行程变小（动静极板接触）但行程变小（动静极板接触）。a）结构示意图结构示意图b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板2动极板动极板 3 3弹性膜片弹性膜片9/1/2023
12、17变极距式电容传感器的特性及灵敏度变极距式电容传感器的特性及灵敏度 设初始极距为设初始极距为d0，当动极板向上位移时，极板，当动极板向上位移时，极板间距减小了间距减小了x值后，其电容变大。设，则有值后，其电容变大。设，则有电容电容Cx与位移与位移x不是线性关系，其灵敏度不是线性关系，其灵敏度Kx不为常数：不为常数：9/1/202318差动式电容传感器差动式电容传感器 a a）差动变极距式）差动变极距式 b b）差动变面积式）差动变面积式 1 1动极板动极板 2 2定极板定极板差动电容传感器的灵差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸得到改善。外界的
13、影响诸如温度、激励源电压、频如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算误差还可以进一步用计算机来计算修正机来计算修正 。9/1/202319差动式电容传感器特性曲线差动式电容传感器特性曲线1-上面的电容特性上面的电容特性2-下面的电容特性下面的电容特性3-差动特性差动特性线性好，灵敏度高线性好，灵敏度高 A1A2C1C21-上、下外电极引线上、下外电极引线2-接地电极接地电极9/1/202320三、变介电常数式三、变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容因为各种介质的相对介电常数不同，所以
14、在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。不同。几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数9/1/202321变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，越大，电容电容C也就越大。也就越大。C等效于空气所引起的电容等效于空气所引起的电容C1和被测和被测介质所引起的电容介质所引起的电容C2的并联的并联式中式中C1空气介质引起的等效电容；空气介质引起的等效电容；C2被测介质引起的等效电容；被测介质引起的等效电容；介质的厚度；介质的厚度；d极距极距9/1/
15、202322磁粉 制动器励磁信号电动机张力信号张力传感器张力传感器信号处理器厚度信号绝缘薄膜张力及厚度测量系统绝缘薄膜张力及厚度测量系统拉力拉力上下极板上下极板9/1/202323变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当介质介质厚度厚度保持不变保持不变、而、而相对介电常数相对介电常数r改变改变时，该电容器时，该电容器可作为相对介电常数可作为相对介电常数r的测试仪器的测试仪器。又如，。又如，当空气湿当空气湿度变化，介质吸入潮气（度变化，介质吸入潮气（r水水=80）时，电容将发生较）时，电容将发生较大
16、的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感器器。反之，。反之，若若r不变，则可作为检测介质厚度的传感不变，则可作为检测介质厚度的传感器器。9/1/202324变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，越大，电容电容C也就越大。也就越大。C等效于空气所引起的电容等效于空气所引起的电容C1和被和被测介质所引起的电容测介质所引起的电容C2的的串联：串联：式中：式中：C1空气介质引起的等效电容；空气介质引起的等效电容；C2被测介质引起的等效电容；被测介质引起的等效电容；介质的厚度；介质的厚度；d极距极距9/1/202325电容式液位计电容式液位计(可以理解为变面积或变介电原理可以理解为变面积或变介电原理)a)同轴内外金属管式同轴内外金属管式b)金属管外套聚四氟金属管外套聚四氟乙烯套管式乙烯套管式c)带底座的电容液位带底座的电容液位传感器的结构传感器的结构1内圆筒内圆筒2外圆筒外圆筒3被测绝缘液体被测绝缘液体4被测导电液体被测导电液体5聚四氟乙烯套
