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1、 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三章 电容式传感器 电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。第一节第一节 电容式传感器原理电容式传感器原理1.变变面积面积式式 2.变变间隙间隙式式 3.变变介电常数介电常数式式定傣份斗玫排击填春磁苞肤霉疯巡诸放嘻菊舞珠爷闸版驶必跪炒拥励虑兰第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transporta
2、tion 一、一、变面积式电容传感器变面积式电容传感器 电容：电容： 第二节第二节 电容式传感器的类型与特性电容式传感器的类型与特性 电容增量：电容增量：测量灵敏度：测量灵敏度：提高灵敏度的途径？增加b，或减小d恒孵垫略拿练长滞故吃赌强贾钞碉颊局缘歇趋盐瞅琉碉葫恕捡掉大亲示泪第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation变面积式电容传感器的派生形式：变面积式电容传感器的派生形式：a）b）豺已垫十寻瓦诲犹凉映都剐愧殆蘑貉称兄众艘挥动滴桥赚灯来砰擅超射娠第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School o
3、f Railway Transportation变面积电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线性关系！这这一类传感器多用于检测直线位移、角一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。位移、尺寸等参量。变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性退狠碰琳邦遵钥抄毗炭粉析氟膘线茨短湖臀友彭姑悲悟瑟庶蜂鞋肆伦盂瘟第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 二、变间隙式电容传感器二、变间隙式电容传感器显然，显然， 时，时， ，于是，于是定极板定极板动极板动极板府缉指植伙纯菜卵柔肠隅畜萎稽熔纪蚌骄奸鹃夜丑邦坟潦眉覆
4、犹绞硷筑凄第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 只只有有 时时，变变间间隙隙式式电电容容传传感感器器才才是是近近似似线线性性的的。而而为为了了提提高高灵灵敏敏度度，总总是是使使初初始始极极距距d0尽尽量量小小些些，但但这这也也带带来来了了变变极极距距式式电电容容器器的的行行程程较较小小的的缺缺点点。并并且且d过过小小又又容容易易引引起起击击穿穿，加加工工精精度度要要求求也也很很高高。实实际际应应用用中中，为为了了提提高高灵灵敏敏度度，减减小小非非线线性性，可采用差动式结构。可采用差动式结构。变面积式电容传感器的
5、特性变面积式电容传感器的特性毖耗幽翱刨莱冶代囚院趁接掂垃徽尹斩傻膜萤撼隆隆登历扛筏册峰勾瞩饼第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、变介电常数式电容器：三、变介电常数式电容器： 因为各种介质的因为各种介质的相对介电常数相对介电常数不同，所以在电容器两不同，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。极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。表表3-1 3-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数哟酋战妙坡在胆均龄帜殷丑窑召闹诱钥瑚俞箩删薛击稍桩琐胃郑淬濒爵箭第章电容传感器第章电容传感
6、器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation相当于两电容并联：相当于两电容并联：其中：其中：取取x=0时电容为时电容为C0，有，有通过改变介质面积改变介电常数通过改变介质面积改变介电常数 疼退波骏闯忻科遥钒垛桩飞十计凹甚蝉嗜揽兄疼瑶允突檬夸搂皆辆霄牺鳖第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 电容与电容与x的关系推导如下：的关系推导如下：结论：电容与位移结论：电容与位移x x之间呈线性关系。之间呈线性关系。镁苑峭流苟昭猜宴藏哗勺谰郁注源爹拱类街蝎怔胺隆溃拭氛敖饿再结
7、萌祝第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation当某种介质处于两极板间时，介质厚度 越厚，电容量也就越大。当介质厚度保持不变、而相对介电常数r改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（ r水1）时，电容量将变大。当被测液体（绝缘体）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，因而导致总的电容量变化。因此，变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，含水量以及测量液体的液位等。糊腆龟茨潜剥浮囱愚珠爆雷沫饮辆护层陵勺恩朱欣佬谨益哇隆懂黔京寨蘸第章电
8、容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation差动电容传感器结构示意图a）差动变极距式 b）差动变面积式1动极板 2定极板从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差分析差动电容传感器的好处动电容传感器的好处：1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差补充：差动电容传感器补充：差动电容传感器受循熬摧凌逾怎痞秤臀勋腆衣编叶孽注赎这种嘛遭温屡泰纺那糜拯狠荷铣第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railw
9、ay Transportation第三节第三节 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路一、普通交流电桥一、普通交流电桥二、紧耦合电感臂电桥二、紧耦合电感臂电桥三、变压器电桥三、变压器电桥四、双四、双T T电桥电桥五、运算放大器式测量电路五、运算放大器式测量电路六、脉冲调制电路六、脉冲调制电路七、调频电路七、调频电路 电桥式电桥式侣添阉辨汉驼保蛆琅让育限径胁芍肩梆区割淘代尚那专椽谬圾次痞沦神翅第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、普通交流电桥：一、普通交流电桥：要求提供幅值和频率很稳要求提供幅值和频率很稳定的
10、交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗很高定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗很高 电容电容变化变化交流交流电压电压变化变化初始初始电电桥桥平平衡衡交流交流电压电压放大放大检出检出直流直流电压电压滤掉滤掉交流交流分量分量直流直流电电压压输输出出Z Zi iZZ接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量抗放大
11、器将信号放大后才能测量抗放大器将信号放大后才能测量抗放大器将信号放大后才能测量。筑挪赁妥失壶郊爹逛苍晨篓酮井经痈饮叛译商觉降什逗匝进显溶盘晾回赣第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、紧耦合电感臂电桥：二、紧耦合电感臂电桥：抗干扰能力强，稳定性高，适合高频抗干扰能力强，稳定性高，适合高频 电源下工作电源下工作ZZZ ZL L为为电桥负电桥负载阻抗载阻抗丁裁哇菜藏凡锥勒诈格宵陆诀啄揪烽穗策搓募刘页救苫搀砍久尾盆帮蛇崇第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Tra
12、nsportation三、变压器电桥：三、变压器电桥：使用元件最少，桥使用元件最少，桥使用元件最少，桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。路内阻最小，因此目前较多采用。路内阻最小，因此目前较多采用。路内阻最小，因此目前较多采用。差动式差动式廊拇锋掳气荔春争烩酵正揽瘪戳吴书溪嚣陨晨炼墒镇不楔批桔惺安独泉矿第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation如果如果变压器电桥的变压器电桥的Z1、Z2采用两个变间隙电容（差动式）采用两个变间隙电容（差动式），有，有输出电压与位移呈线性关系输出电压与位移呈线性关系解决了单个变
13、极距型电容传感器解决了单个变极距型电容传感器解决了单个变极距型电容传感器解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题的非线性问题的非线性问题的非线性问题惠场谩榜娶便钧颈橡赔碘帘焕藻鸿炭宴督惜响册骄谦肠玄砰柒妥扶童臣丘第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation四、双四、双T T电桥电桥双双T电桥电路电桥电路正半周：正半周：C1充电，充电，C2放电放电差动式负载+iC1iC2若将二极管理想化，则正半周时，二极管若将二极管理想化，则正半周时，二极管若将二极管理想化，则正半周时，二极管若将二极管理想化，则正半周时，二极管V V
14、V V1 1 1 1导通、导通、导通、导通、V V V V2 2 2 2截止，电截止，电截止，电截止，电容容容容C C C C1 1 1 1被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至U U U U ，电容，电容，电容，电容C C C C2 2 2 2的电压初始值为的电压初始值为的电压初始值为的电压初始值为 U U U U，电，电，电，电源经源经源经源经R R R R1 1 1 1以以以以i i i i1 1 1 1向向向向R R R RL L L L供电，而电容供电，而电容供电，而电容供电，而电容C C C C2 2 2 2经经经经R R R R2 2 2
15、 2、R R R RL L L L放电，流过放电，流过放电，流过放电，流过R R R RL L L L 的放电电的放电电的放电电的放电电流为流为流为流为i i i i2 2 2 2，流过，流过，流过，流过R R R RL L L L 的总电流的总电流的总电流的总电流i i i iL L L L为为为为i i i i1 1 1 1 和和和和i i i i2 2 2 2的代数和。的代数和。的代数和。的代数和。 间屹效夸插伤经前候曰给萎柏大捷烷聪最刮虹阮田埠甫秸源揪赡皱堑中壳第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation负半周
16、：负半周：C2充电，充电，C1放电放电在负半周时，二极管在负半周时，二极管V V2 2导通、导通、V V1 1截止，电容截止，电容C C2 2很快被充电至电很快被充电至电压压U U；电源经电阻；电源经电阻R R2 2以以i i1 1 向负载电阻向负载电阻R RL L供电，与此同时，电容供电，与此同时，电容C C1 1经电阻经电阻R R1 1、负载电阻、负载电阻R RL L 放电，流过放电，流过R RL L 的放电电流为的放电电流为i i2 2 。流过。流过R RL L的总电流的总电流i iL L 为为i i1 1 和和i i2 2 的代数和。的代数和。 尹障瓶揖氓蟹姬叮哮斥凄铅偶费抚组矣律起接
17、疑等拂醒掷弧卜坛眶栈盗橙第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation如果如果C1=C2，R1=R2=R，则正、负半周对称则正、负半周对称如果如果C1或或C2变化时，变化时，则正、负半周不再对称则正、负半周不再对称或：或：输出电压输出电压平均值：平均值： 双双T T电桥特点：电桥特点：电路有一个公共接地点；二极管工作电路有一个公共接地点；二极管工作于线性工作段；输出电压高；测量灵敏度与电源频率有于线性工作段；输出电压高；测量灵敏度与电源频率有关；可以用于动态测量。关；可以用于动态测量。核寇蛛皿吻逻陶酷魔刃粮荫汀逝期绝览恕
18、时拧掣踞完黎录宁润贰怯渣但籍第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation五、运算放大器式测量电路五、运算放大器式测量电路可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d d d d成正比。运成正比。运成正比。运成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。算放大器电路解决了单
19、个变极距型电容传感器的非线性问题。 上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。膀抉典澡缺誓各崇茎脐脱离役匝预溪两巡悦遮森遣晒叮曙姻仲饰抡紫掀易第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transpor
20、tation六、脉冲调制电路六、脉冲调制电路原原1 1充电充电原原0 0升压升压变变1 10 01 1输出限幅输出限幅C C1 1、C C2 2为为为为差动式传差动式传差动式传差动式传感器的两感器的两感器的两感器的两个电容；个电容；个电容；个电容； N N1 1、N N2 2是是是是两个比较两个比较两个比较两个比较器，器，器，器，U Ur r为为为为其参考电其参考电其参考电其参考电压。压。压。压。当当当当A A A A端为高电平时，则通过端为高电平时，则通过端为高电平时，则通过端为高电平时，则通过R1R1R1R1对对对对C1C1C1C1充电，直到充电，直到充电，直到充电，直到M M M M点电
21、位等于参考电压点电位等于参考电压点电位等于参考电压点电位等于参考电压U Ur r时，比较时，比较时，比较时，比较器器器器N1N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，A A端为低电平，端为低电平，端为低电平，端为低电平，B B端为高电平，此时，端为高电平，此时，端为高电平，此时，端为高电平，此时，V1V1导通，导通，导通，导通，C1C1放电至零，同时放电至零，同时放电至零，同时放电至零，同时B B端通过端通过端通过端通过R2R2对对对对C2C2充电，当充电，当充电，当充电，当N N点电位等于参考电
22、压点电位等于参考电压点电位等于参考电压点电位等于参考电压U Ur r时，比较时，比较时，比较时，比较器器器器N2N2产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，A A端变为高电平，端变为高电平，端变为高电平，端变为高电平，C1C1充电，充电，充电，充电，V2V2导通，导通，导通，导通，C2C2放放放放电，。这样周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受电，。这样周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受电，。这样周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受电，。这样周而复始，在双稳态触发
23、器的两个输出端产生一宽度受C1C1和和和和C2C2调制的调制的调制的调制的脉冲方波脉冲方波脉冲方波脉冲方波孔挣臭瑶殆蒂缘顿留舀敷叼闪搪厩卸骸夕己砧嘴息搂乒榔馋抨啃联烘段射第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation初始初始C1=C2，M、N等间隔等间隔0、1翻转，翻转， 输出平均电压为输出平均电压为0。如果如果C1、C2不等，不等，M、N翻转将不再等间翻转将不再等间隔，输出平均电压会向正（或负）偏离：隔，输出平均电压会向正（或负）偏离：可见：输出电压与电容变化成线性关系可见：输出电压与电容变化成线性关系傣仅扩槐摘忱超空
24、咸拯仅宋燃鹊按茄辅釉娃丫歹稚苔揽蹄帚呸康葛棘娄舵第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为有效面积为有效面积为有效面积为S S S S0 0 0 0，变化量为，变化量为，变化量为，变化量为S S S S，则滤
25、波器输出为：，则滤波器输出为：，则滤波器输出为：，则滤波器输出为：猖娟孺满钦熏漂役箩启淆污压编缨酪姐境皮拥永老雷煞翱惺洗扫规致岁惭第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation可见可见可见可见差动脉冲调制电路能适用于任何差动式电容传感差动脉冲调制电路能适用于任何差动式电容传感差动脉冲调制电路能适用于任何差动式电容传感差动脉冲调制电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。器，并具有理论上的线性特性。器，并具有理论上的线性特性。器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，该电路采用直流电源，该电路采用直流
26、电源，该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求督橡线彩狭笆坪父褥手狐铜不猪吃莫祸将响谅好适烦柠陪汪次翰妻弦烁痉第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation初始振荡频率：初始振荡频率：电容改变电容改变C C后的
27、振荡频率：后的振荡频率：七、调频电路：七、调频电路：把电容式传感器与电感元件构成振荡器谐振电路。当电容把电容式传感器与电感元件构成振荡器谐振电路。当电容量发生变化时，振荡频率发生变化，通过鉴频电路将频率的变化转化振幅的变化，量发生变化时，振荡频率发生变化，通过鉴频电路将频率的变化转化振幅的变化，经放大器进行显示。经放大器进行显示。振荡电感振荡电感固定电容固定电容传感器电容传感器电容电缆分布电容电缆分布电容振荡频率振荡频率变化变化电压电压变化变化恼储革协溶疑展显医募呼滓酸锦戒靴投债涨大宇初销胡茬喊企泌钦加镍霄第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railwa
28、y Transportation补充：电容式传感器的特点补充：电容式传感器的特点1 1 1 1电容式传感器的优点电容式传感器的优点电容式传感器的优点电容式传感器的优点 （1 1 1 1）温度稳定性好）温度稳定性好）温度稳定性好）温度稳定性好 传传传传感感感感器器器器的的的的电电电电容容容容值值值值一一一一般般般般与与与与电电电电极极极极材材材材料料料料无无无无关关关关，仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于电电电电极极极极的的的的几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸，且且且且空空空空气气气气等等等等介介介介质质质质损损损损耗耗耗耗很很很很小小小小，只只只只要要要要从从从从强强强强度度度度、温温温温度度度
29、度系系系系数数数数等等等等机机机机械械械械特特特特性性性性考考考考虑虑虑虑，合合合合理理理理选选选选择择择择材材材材料料料料和和和和几几几几何何何何尺寸其他因素尺寸其他因素尺寸其他因素尺寸其他因素( ( ( (因本身发热极小因本身发热极小因本身发热极小因本身发热极小) ) ) ) 影响甚微。影响甚微。影响甚微。影响甚微。仰遁诈马窘剪技振巍幻雄蛛石怒镑省扒然斌笔棍蓬堵液眺吴筑脸漳族趴纤第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（2 2 2 2）结构简单，适应性强）结构简单，适应性强）结构简单，适应性强）结构简单，适应性
30、强 电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和高冲击
31、、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。删遇溯洋逐呆钞冉换扩尔雹着睫庸喻川否满千臭同以措吾霉糟秽或蘸急奏第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学
32、院 School of Railway Transportation3 3 3 3动态响应好动态响应好动态响应好动态响应好 电电电电容容容容式式式式传传传传感感感感器器器器由由由由于于于于极极极极板板板板间间间间的的的的静静静静电电电电引引引引力力力力很很很很小小小小，（约约约约10101010-5-5-5-5N N N N），需需需需要要要要的的的的作作作作用用用用能能能能量量量量极极极极小小小小，又又又又由由由由于于于于它它它它的的的的可可可可动动动动部部部部分分分分可可可可以以以以做做做做得得得得很很很很小小小小很很很很薄薄薄薄，即即即即质质质质量量量量很很很很轻轻轻轻，因因因因此此此此
33、其其其其固固固固有有有有频频频频率率率率很很很很高高高高，动动动动态态态态响响响响应应应应时时时时间间间间短短短短，能能能能在在在在几几几几MHzMHzMHzMHz的的的的频频频频率率率率下下下下工工工工作作作作，特特特特别别别别适适适适合合合合动动动动态态态态测测测测量量量量。又又又又由由由由于于于于其其其其介介介介质质质质损损损损耗耗耗耗小小小小可可可可以以以以用用用用较较较较高高高高频频频频率率率率供供供供电电电电，因因因因此此此此系系系系统统统统工工工工作作作作频频频频率率率率高高高高。它它它它可可可可用用用用于于于于测测测测量量量量高高高高速速速速变变变变化的参数，如测量振动、瞬时压
34、力等。化的参数，如测量振动、瞬时压力等。化的参数，如测量振动、瞬时压力等。化的参数，如测量振动、瞬时压力等。殖微骤蚜死赘滚瞪荚哟宪叭涎期熬西英多熄瑶噎浦蹋聊绦昼浑湛妨故返寂第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation4 4 4 4可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下当被测件不能允许采用接触测量的情况下, , , ,电电电
35、电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时, , , ,电容式传感器具有平均效应电容式传感器具有平均效应电容式传感器具有平均效应电容式传感器具有平均效应, , , ,可以减小工件表面粗糙可以减小工件表面粗糙可以减小工件表面粗糙可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。度等对测量的影响。度等对测量的影响。度等对测量的影响。 屁径屯啥条捷菜嚏吵右劲瑟仇檬雅熊斜棕蚀筛义蹦粱哄晌峻诫痹梁掉撞靠第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Ra
36、ilway Transportation电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以电引力极小，因此所需输入能量极小，所以电引力极小，因此所需输入能量极小，所以电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜特别适宜特别适宜特别适宜低能量输入低能量输入低能量输入低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的测量，例如测量极低的压力、力和很小的测量，例如测量极低的压力、力和很小的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度
37、、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。 炽阳哩丑戚受赘薯氰新膘迹邓纺茶哼戒绘履辉课菱灯票瓤欢郡换漓汀鱼徐第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation2.2.2.2.电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点电容式传感器的缺点 (1)(1)(1)(1)输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 电电电电容容容容式式式式传
38、传传传感感感感器器器器的的的的容容容容量量量量受受受受其其其其电电电电极极极极几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸等等等等限限限限制制制制，一一一一般般般般为为为为几几几几十十十十到到到到几几几几百百百百pFpFpFpF，使使使使传传传传感感感感器器器器的的的的输输输输出出出出阻阻阻阻抗抗抗抗很很很很高高高高，尤尤尤尤其其其其当当当当采采采采用用用用音音音音频频频频范范范范围围围围内内内内的的的的交交交交流流流流电电电电源源源源时时时时，输输输输出出出出阻阻阻阻抗抗抗抗高高高高达达达达101010106 6 6 6101010108 8 8 8。因因因因此此此此传传传传感感感感器器器器负负负负载载
39、载载能能能能力力力力差差差差，易易易易受受受受外外外外界界界界干干干干扰扰扰扰影影影影响响响响而而而而产产产产生生生生不不不不稳稳稳稳定定定定现现现现象象象象，严严严严重重重重时时时时甚甚甚甚至至至至无无无无法法法法工工工工作作作作，必必必必须须须须采采采采取取取取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。傀还主镜潞衷沮隅樱午陇患痢睫苫枢溯辑尘搞吱为虫噪札打咋嚼獭邀氢遣第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 容容
40、容容抗抗抗抗大大大大还还还还要要要要求求求求传传传传感感感感器器器器绝绝绝绝缘缘缘缘部部部部分分分分的的的的电电电电阻阻阻阻值值值值极极极极高高高高（几几几几十十十十MMMM以以以以上上上上），否否否否则则则则绝绝绝绝缘缘缘缘部部部部分分分分将将将将作作作作为为为为旁旁旁旁路路路路电电电电阻阻阻阻而而而而影影影影响响响响传传传传感感感感器器器器的的的的性性性性能能能能（如如如如灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度降降降降低低低低），为为为为此此此此还还还还要要要要特特特特别别别别注注注注意意意意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。周围环境如温湿度、清洁度
41、等对绝缘性能的影响。周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。 高高高高频频频频供供供供电电电电虽虽虽虽然然然然可可可可降降降降低低低低传传传传感感感感器器器器输输输输出出出出阻阻阻阻抗抗抗抗，但但但但放放放放大大大大、传传传传输输输输远远远远比比比比低低低低频频频频时时时时复复复复杂杂杂杂，且且且且寄寄寄寄生生生生电电电电容容容容影影影影响响响响加加加加大大大大，难难难难以以以以保保保保证证证证工作稳定。工作稳定。工作稳定。工作稳定。然渝荤手笑闻槐羔吃娃峨哇箭俩梅春谜秒页陌秸濒机币袭婴主鳖殴谰秸匙第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway T
42、ransportation(2)(2)(2)(2)寄生电容影响大寄生电容影响大寄生电容影响大寄生电容影响大 传传传传感感感感器器器器的的的的初初初初始始始始电电电电容容容容量量量量很很很很小小小小，而而而而其其其其引引引引线线线线电电电电缆缆缆缆电电电电容容容容( ( ( (l l l l2m2m2m2m导导导导线线线线可可可可达达达达800pF800pF800pF800pF) ) ) )、测测测测量量量量电电电电路路路路的的的的杂杂杂杂散散散散电电电电容容容容以以以以及及及及传传传传感感感感器器器器极极极极板板板板与与与与其其其其周周周周围围围围导导导导体体体体构构构构成成成成的的的的电电电
43、电容容容容等等等等“寄寄寄寄生生生生电电电电容容容容”却却却却较较较较大。大。大。大。招渝松阳弊劫宛铰挣祭京贾呸官铣谚绿贞部崖箭茁侨斥鸳可鸿桂肪筏返答第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation(3)(3)(3)(3)输出特性非线性输出特性非线性输出特性非线性输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。
44、其他虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器类型的电容传感器类型的电容传感器类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输只有忽略了电场的边缘效应时，输只有忽略了电场的边缘效应时，输只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性出特性才呈线性出特性才呈线性出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量。否则边缘效应所产生的附加电容量。否则边缘效应所产生的附加电容量。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。将与
45、传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。 椭祷栽悔产澳厨转圃算星你躬晴奠珐耶桑浑夏祥窘宛喂建萝徘绷采察钟赂第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面、相对面积积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就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，
46、就可以通过测量电容成极距或者面积、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。量这个电参数来达到非电量电测的目的。 电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振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，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制
47、系统中也常常用来作为位置信号位等参数，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。发生器。发生器。发生器。 残登通译此仕乡镁奉层验宴蛔秆牛蛔紧起爹筋端明蓖蛮慨奥刻澜誓疮伊憨第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、电容式位移传感器一、电容式位移传感器测杆测杆固定电极固定电极活动电极活动电极开槽片簧开槽片簧差动式变面积型位移传感器契纪退锐咀茁汲牡坤宰憎笼偏砖捧绣牵立倒扭延爵滁狗献腻乘暂驴咱乱妓第章电容
48、传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、电容式压力传感器：二、电容式压力传感器：变极距型变极距型凹玻璃圆片凹玻璃圆片凹玻璃圆片凹玻璃圆片弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片( ( ( (动电极动电极动电极动电极) ) ) )固定电极固定电极固定电极固定电极PP弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片( ( ( (动电极动电极动电极动电极) ) ) )固定电极固定电极固定电极固定电极差动型差动型差动型差动型单只变极距型单只变极距型单只变极距型单只变极距型妮籍串佛骄粉戍寅帚疟担侯膀罪乱序倘灸膜陆很瞩赘信敲臃屡奈肯锤毒快第章电容传感器第
49、章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、电容式加速度传感器三、电容式加速度传感器-差动式变极距型差动式变极距型固定电极固定电极固定电极固定电极质量块质量块m m质量块质量块m m 弹簧片弹簧片+ +C C- -C C除货寨牢喜垛前阴蔓驹白征靶捂宫妊贮锻萄逞帚巷短界退敢彩靶裁由窟恨第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation加速度传感器在汽车中的应用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。当测得加速度传感器安装在轿车上，
50、可以作为碰撞传感器。当测得的的负加速度负加速度值超过设定值时，值超过设定值时， 微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞，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。驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊师谣炭勿癸疤呀箕挞俯免就车剐毙缓鸣屏峻绽裕土元瓢嗜赃浮塌膛窒澈墟第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用沛罪枉茹丑锻帧泣
51、扫奄擒餐痕升笔恨羹邪瘁伶写抢汛走玄瑶恋鄂诵涩卉溯第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延延时起爆的钻地炸弹时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置妊狐菲寅瑟心蹭丧声叮枪过痒泌簿掳砒炭铡那掉究狸邀幼昧罗裁缓岛苑永第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation四、电容式液位传感器四、电容式液位传感器绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极不导电液体不导电液体导电液体导电液体绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极变
52、介电常数型变介电常数型变面积型变面积型戚唾澳符羽墙溪卧丁祖元卵洲亮绒唇镰盒湾兔汗傻毅铁锹耗饰翁范事诸蕉第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电容式液位计电容式液位计 棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容与导电液体之间的电容变大。变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套细匣涡钞皿蚊朴迂益见卡十畴澎谨平个答符没妹钩苏厨晾五嘎测禽符只现第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通
53、学院 School of Railway Transportation电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。择输出为高电平的型号。妓递沥丽孩陇烟劣腾尽讹绸仪河窝即七臃朗钠震麓樱噎篙郝噪客炕息向垫第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation液位限位传感器的设定液位限位传感
54、器的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮坦卤浅垂贷怖倔诛偏浆胡婚浩噎氏颧啼密漆啤毗蝴艇葱见锣泞苗肘颖浸融第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定
55、按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯健赊坷后瓶歉丝贝幻锈冰裴圭蜀夏视哭蠕了谍俗吹婪陛殊狱扶破鸣累巳潮第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation五、电容式荷重传感器五、电容式荷重传感器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度相同处打一排孔，在孔内形成一排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，圆孔平行的平板电容，当
56、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，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）（误差平均效应）（误差平均效应）电容式称重传感器电容式称重传感器F享啼杰忍港郎楔捂滥奄锣灭途婆痴窥北袋乖壬惦著娄邢献船巢莲今注泊寇第章电容传感器第章电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation六、电容式测厚仪六、电容式测厚仪带材带材定极定极U U电容耦合电容耦合直流电压输出直流电压输出定极定极碳疫押惺痕妮炼史胀喂挎甥眷夹衬朗匀闹窑悼彭触撰胞魄牢波腰术唬志爵第章电容传感器第章电容传感器
