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1、优秀精品课件文档资料第第4章章 电容式传感器原理及其运用电容式传感器原理及其运用4.1 电容式传感器的任务原理及分类电容式传感器的任务原理及分类4.2 电容式传感器的丈量电路电容式传感器的丈量电路4.3 电容式传感器的特点及设计改善措施电容式传感器的特点及设计改善措施4.4 电容式传感器的运用电容式传感器的运用4.1 电容式传感器的任务原理及分类电容式传感器的任务原理及分类4.1.1 任务原理及构造方式任务原理及构造方式电容式传感器的根本原理是将被丈量的变化转电容式传感器的根本原理是将被丈量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过丈量电换成传感元件电容量的变化，再经过丈量电路将电容量的变化转换
2、成电信号输出。路将电容量的变化转换成电信号输出。电容式传感器实践上是一个可变参数的电容器。电容式传感器实践上是一个可变参数的电容器。电容式传感器任务原理图电容式传感器任务原理图 平板电容器电容量表达式为：平板电容器电容量表达式为： 三三个个参参数数都都直直接接影影响响着着电电容容量量的的大大小小。假假设设坚坚持持其其中中两两个个参参数数不不变变，而而使使另另外外一一个个参数改动，那么电容量就将发生变化。参数改动，那么电容量就将发生变化。假假设设变变化化的的参参数数与与被被丈丈量量之之间间存存在在一一定定函函数数关关系系，那那么么电电容容量量的的变变化化可可以以直直接接反反映映被被丈丈量量的的变
3、变化化情情况况，再再经经过过丈丈量量电电路路将将电电容容量量的的变变化化转转换换为为电电量量输出，就可以到达丈量的目的。输出，就可以到达丈量的目的。 电电容容式式传传感感器器通通常常可可以以分分为为三三种种类类型型：改改动动极极板板面面积积的的变变面面积积式式；改改动动极极板板间间隔隔的的变变间间隙隙式；改动介电常数的变介电常数式。式；改动介电常数的变介电常数式。4.1.2 变面积式电容传感器变面积式电容传感器变面积式电容式传感器通常分为线位移型变面积式电容式传感器通常分为线位移型和角位移型两大类。和角位移型两大类。1线位移变面积型线位移变面积型常用的线位移变面积型电容式传感器可分常用的线位移
4、变面积型电容式传感器可分为平面线位移型和柱面线位移型两种构为平面线位移型和柱面线位移型两种构造。造。 对对于于平平板板状状构构造造，在在图图4-2a中中，两两极极板板有有效效覆覆盖盖面面积积就就发发生生变变化化，电电容容量量也也随随之改动，其值为：之改动，其值为： 式中，式中， ，为初始电容值。，为初始电容值。对对于于柱柱状状构构造造，在在图图4-2b中中，覆覆盖盖面面积积就就发发生生变变化化，电电容容量量也也随随之之改改动动，其其值值为：为：式中，式中， ，为初始电容值。，为初始电容值。 2角位移型角位移型 角位移型是变面积式电容传感器的派生方式，其派生角位移型是变面积式电容传感器的派生方式
5、，其派生方式种类较多，如下图。方式种类较多，如下图。a角位移型；b齿形极板型；c圆筒型；d扇型图4-3 变面积式电容传感器的派生型 在图在图4-3a中，当动极板有一个角位移中，当动极板有一个角位移 时，它时，它与定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化，从而导致与定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化，从而导致电容量的变化，电容值可表示为：电容量的变化，电容值可表示为：4.1.3 变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器 当电容式传感器的面积和介电常数当电容式传感器的面积和介电常数固定不变，只改动极板间间隔时，称为固定不变，只改动极板间间隔时，称为变间隙式电容传感器，其构造原理如下变间隙式电容传感器，其
6、构造原理如下图。图中，活动极板与被测对象相连。图。图中，活动极板与被测对象相连。当活动极板因被测参数的改动而引起挪动时，电容当活动极板因被测参数的改动而引起挪动时，电容量随着两极板间的间隔的变化而变化，当活动极板量随着两极板间的间隔的变化而变化，当活动极板挪动后，其电容量为：挪动后，其电容量为：这类传感器普通用来对微小位移量进展丈量，正常这类传感器普通用来对微小位移量进展丈量，正常任务在微米到几毫米的线位移。同时，变间隙式电任务在微米到几毫米的线位移。同时，变间隙式电容传感器要提高灵敏度，应减小极板间的初始间距。容传感器要提高灵敏度，应减小极板间的初始间距。为了改善这种情况，普通是在极板间放置
7、云母、塑为了改善这种情况，普通是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数较高的介质。料膜等介电常数较高的介质。 4.1.4 变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影响电容式传感器电容量的一个要素。通常情况下，响电容式传感器电容量的一个要素。通常情况下，不同介质的介电常数各不一样。不同介质的介电常数各不一样。当电容式传感器的电介质改动时，其介电常数变化，当电容式传感器的电介质改动时，其介电常数变化，也会引起电容量发生变化。也会引起电容量发生变化。变介电常数式电容传感器就是经过介质的改动来实变介电常数式电容传感器就是经
8、过介质的改动来实现对被丈量的检测，并经过传感器的电容量的变化现对被丈量的检测，并经过传感器的电容量的变化反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如下图。下图。a柱式柱式 b平板式平板式图图4-5 变介电常数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的两极板间假设存在导电变介电常数式电容传感器的两极板间假设存在导电物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。变介电常数式电容传感器除了可以丈量液位和位移变介电常数式电容传感器除了可以丈量液位和位
9、移之外，还可以用于丈量电介质的厚度、物位，并可之外，还可以用于丈量电介质的厚度、物位，并可以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量的变化而变化来丈量温度、湿度、容量等参数。的变化而变化来丈量温度、湿度、容量等参数。(a)测介质厚度；测介质厚度；(b)丈量位移；丈量位移；(c)丈量液位；丈量液位；(d)测温度、湿度测温度、湿度图图4-6 常见变介电常数式电容传感器常见变介电常数式电容传感器4.2 电容式传感器的丈量电路电容式传感器的丈量电路电容式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微电容式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微小，这样微小的电容量目
10、前还不能直接被显示仪表小，这样微小的电容量目前还不能直接被显示仪表所显示，无法由记录仪进展记录，亦不便于传输。所显示，无法由记录仪进展记录，亦不便于传输。借助丈量电路检出微小的电容变化量，并转换成与借助丈量电路检出微小的电容变化量，并转换成与其成正比的电压、电流或者频率信号，才干进展显其成正比的电压、电流或者频率信号，才干进展显示、记录和传输。示、记录和传输。用于电容式传感器的丈量电路很多，常见的电路有：用于电容式传感器的丈量电路很多，常见的电路有：普通交流电桥、变压器电桥、双普通交流电桥、变压器电桥、双T形电桥电路、紧形电桥电路、紧耦合电感臂电桥、运算放大器式丈量电路、调频电耦合电感臂电桥、
11、运算放大器式丈量电路、调频电路、脉冲宽度调制电路等。路、脉冲宽度调制电路等。 4.2.1 普通交流电桥电路普通交流电桥电路 普通交流电桥丈量电路如图普通交流电桥丈量电路如图4-7所示，所示， 为传感器电为传感器电容，容， 为等效配接阻抗，为等效配接阻抗， 和和 分别为固定电容和分别为固定电容和固定阻抗。固定阻抗。传感器任务前，先将电桥初始形状调至平衡。传感器任务前，先将电桥初始形状调至平衡。当传感器任务时，电容当传感器任务时，电容 发生变化，电桥发生变化，电桥失去平衡，从而输出交流电压信号。失去平衡，从而输出交流电压信号。此信号先经过交流放大器将电压进展放大，此信号先经过交流放大器将电压进展放
12、大，再经过相敏检波器和低通滤波器检出直流电再经过相敏检波器和低通滤波器检出直流电压、并滤掉交流分量，最后得到直流电压输压、并滤掉交流分量，最后得到直流电压输出信号，它的幅值随着电容的变化而变化。出信号，它的幅值随着电容的变化而变化。电桥的输出电压为：电桥的输出电压为：4.2.2 变压器电桥电路变压器电桥电路 电容式传感器接入变压器电桥丈量电路如下图，它可电容式传感器接入变压器电桥丈量电路如下图，它可分为单臂接法和差动接法两种。分为单臂接法和差动接法两种。a单臂接法单臂接法 b差动接法差动接法1单臂接法单臂接法图图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式丈量电路，高所示为单臂接法的变压器桥式丈量电
13、路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。为电容传感器。当传感器未任务时，交流电桥处于平衡形状，有：当传感器未任务时，交流电桥处于平衡形状，有：此时，电桥输出电压此时，电桥输出电压 。 当当 改动时，改动时， ，电桥有输出电压，从而可测得，电桥有输出电压，从而可测得电容的变化值。电容的变化值。2差动接法差动接法变压器电桥丈量电路普通采用差动接法，如图变压器电桥丈量电路普通采用差动接法，如图4-8(b)所示。所示。 以差动方式接入相邻两个桥臂，另外以差动方式接入相邻两个桥臂，另外两个
14、桥臂为次级线圈。在交流电路中，两个桥臂为次级线圈。在交流电路中， 的的阻抗分别为：阻抗分别为：那么有，那么有，故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为4.2.3 双双T形电桥电路形电桥电路 双双T形电桥电路如下图，高频电源形电桥电路如下图，高频电源u提供幅值为提供幅值为U的方的方波。波。 双双T型电桥衔接型电桥衔接 正半周正半周 负半周负半周4.2.4 运算放大器式丈量电路运算放大器式丈量电路 运算放大器式丈量电路的原理图如下图。电容式传感运算放大器式丈量电路的原理图如下图。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。器跨接在高增益运算放大器的输
15、入端与输出端之间。由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可以为是一个理想运算放大器。那么输出电压高，可以为是一个理想运算放大器。那么输出电压 为：为：可见，运算放大器的输出电压可见，运算放大器的输出电压 与极板间间隔与极板间间隔 成线性关系。运算放大器电路处理了单个变极板间成线性关系。运算放大器电路处理了单个变极板间间隔式电容传感器的非线性问题，但要求运算放大间隔式电容传感器的非线性问题，但要求运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗都足够大。器的开环放大倍数和输入阻抗都足够大。理想运算放大器的开环放大倍数理想运算放大器的开环放大倍数 ，且输
16、入，且输入阻抗阻抗 。为保证仪器精度，还要求电源电压。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容的幅值和固定电容 值稳定。值稳定。4.2.5 调频电路调频电路调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振荡器的谐振回路。其丈量电路原理框图如下图。荡器的谐振回路。其丈量电路原理框图如下图。当电容任务时，电容变化导致振荡频率发生相应的变当电容任务时，电容变化导致振荡频率发生相应的变化，再经过鉴频电路把频率的变化转换为振幅的变化，再经过鉴频电路把频率的变化转换为振幅的变化，经放大后输出，即可进展显示和记录，这种方化，经放大后输出，即可进展显示和记录，
17、这种方法称为调频法。法称为调频法。当传感器未任务时，振荡频率为：当传感器未任务时，振荡频率为：用调频电路作为电容式传感器的丈量电路具有以下用调频电路作为电容式传感器的丈量电路具有以下特点：特点：1抗干扰才干强，稳定性好；抗干扰才干强，稳定性好；2灵敏度高，可丈量灵敏度高，可丈量 级的位移变化量；级的位移变化量；3能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级；能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级；4由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进展由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进展丈量，并可以和计算机进展通讯，可以发送、接纳，丈量，并可以和计算机进展通讯，可以发送、接纳，能到达遥测遥控的目的。能到达遥测
18、遥控的目的。4.2.6 差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路 差动脉冲宽度调制电路如下图，它是利用对传差动脉冲宽度调制电路如下图，它是利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量的变化而变化，再经过低通滤波器得到相应电容量的变化而变化，再经过低通滤波器得到相应被丈量变化的直流信号。被丈量变化的直流信号。差动脉冲宽度调制电路产生的电路中各点电压波形差动脉冲宽度调制电路产生的电路中各点电压波形如下图。如下图。4.3 电容式传感器的特点及设计改善措施电容式传感器的特点及设计改善措施4.3.1 电容传感器的优缺陷电容传感器的优缺陷1电容式传
19、感器的优点电容式传感器的优点1温度稳定性好：电容式传感器常用空气等气体温度稳定性好：电容式传感器常用空气等气体作为绝缘介质，介质本身的发热量非常小，可忽略作为绝缘介质，介质本身的发热量非常小，可忽略不计。因此，只需求从强度、温度系数等机械特性不计。因此，只需求从强度、温度系数等机械特性进展思索，来合理选择资料和几何尺寸。进展思索，来合理选择资料和几何尺寸。2阻抗高、功率小，需求输入的动作能量低：电阻抗高、功率小，需求输入的动作能量低：电容式传感器由于带电极板间的静电吸引力极小，因容式传感器由于带电极板间的静电吸引力极小，因此所需求的输入能量也极小，特别适用于低能量输此所需求的输入能量也极小，特
20、别适用于低能量输入的丈量。入的丈量。3动态呼应好：电容式传感器由于它的可动部分动态呼应好：电容式传感器由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，其固有频率很高，可以做得很小很薄，即质量很轻，其固有频率很高，动态呼应时间短，能在几兆赫的频率下任务，特别动态呼应时间短，能在几兆赫的频率下任务，特别适宜动态丈量。适宜动态丈量。4构造简单，顺应性强：电容式传感器构造简单，构造简单，顺应性强：电容式传感器构造简单，易于制造；能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶易于制造；能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下任务，顺应才干强。劣的环境条件下任务，顺应才干强。2电电容式容式传传感器的缺陷感器的缺
21、陷 1 输输出阻抗高，出阻抗高，带负载带负载才干差：才干差：电电容的容抗大容的容抗大还还要求要求传传感器感器绝缘绝缘部分的部分的电电阻阻值值极高极高 几十兆欧以上几十兆欧以上 ，否，否那么那么绝缘绝缘部分将作部分将作为为旁路旁路电电阻而影响阻而影响传传感器的性能，感器的性能，为为此要留意温度、湿度、清此要留意温度、湿度、清洁洁度等度等环环境境对绝缘资对绝缘资料料绝缘绝缘性能的影响。性能的影响。 2 输输出特性出特性为为非非线线性：性：虽虽可采用差可采用差动动构造来改善，但构造来改善，但不能不能够够完全消除。其他完全消除。其他类类型的型的电电容容传传感器只需忽略感器只需忽略了了电场电场的的边缘边
22、缘效效应时应时，输输出特性才成出特性才成线线性，否那么性，否那么边缘边缘效效应应所所产产生的附加生的附加电电容量将与容量将与传传感器感器电电容量直容量直接叠加，使接叠加，使输输出特性非出特性非线线性。性。 3 寄生寄生电电容影响大：容影响大：电电容式容式传传感器的初始感器的初始电电容很小，容很小，而其引而其引线电线电容、丈量容、丈量电电路的路的杂杂散散电电容以及容以及传传感器极感器极板与其周板与其周围导围导体构成的体构成的电电容等容等“寄生寄生电电容却容却较较大。大。例如，将信号例如，将信号处处置置电电路安装在非常接近极板的地方路安装在非常接近极板的地方可以减弱泄露可以减弱泄露电电容的影响。容
23、的影响。4.3.2 电容式传感器的设计改善措施电容式传感器的设计改善措施 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。开的。 1消除和减小边缘效应：边缘效应不仅使电容式消除和减小边缘效应：边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低，而且在丈量中会产生非线性传感器的灵敏度降低，而且在丈量中会产生非线性误差，应尽量减小或消除。误差，应尽量减小或消除。适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影响，但电容易被击
24、穿且丈量范围遭到限制。应的影响，但电容易被击穿且丈量范围遭到限制。一方面，可采取将电极做得很薄，使之远小于极板间一方面，可采取将电极做得很薄，使之远小于极板间距的措施来减小边缘效应的影响。另一方面，可在距的措施来减小边缘效应的影响。另一方面，可在构造上添加等位维护环的方法来消除边缘效应，如构造上添加等位维护环的方法来消除边缘效应，如图图4-14所示。所示。a电容器的边缘效应电容器的边缘效应 b带有等位环的平板式电容器带有等位环的平板式电容器图图4-14 等位环消除电容边缘效应原理图等位环消除电容边缘效应原理图2保保证绝缘资料的料的绝缘性能性能 温度、湿度等温度、湿度等环境的境的变化是影响化是影
25、响传感器中感器中绝缘资料料性能的主要要素。性能的主要要素。传感器的感器的电极外表不便清洗，极外表不便清洗，应加以密封，可防加以密封，可防尘、防潮。防潮。 尽量采用空气、云母等介尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎常数的温度系数几乎为零的零的电介介质作作为电容式容式传感器的感器的电介介质。 传感器内一切的零件感器内一切的零件应先先进展清洗、烘干后再装配。展清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容容值变化和化和绝缘性能下降。壳体的性能下降。壳体的刚性要好，以免安装性要好，以免安装时变形。形。 传感器感器电极的支架要有一定的机械极的支架要有
26、一定的机械强度和度和稳定的性定的性能。能。应选用温度系数小、用温度系数小、稳定性好，并具有高定性好，并具有高绝缘性能的性能的资料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。瓷等做支架。虽然然这些些资料料较难加工，但性能加工，但性能远高高于塑料、有机玻璃等。于塑料、有机玻璃等。 3减小或消除寄生减小或消除寄生电容的影响容的影响 寄生寄生电容能容能够比比传感器的感器的电容大几倍甚至几十倍，影容大几倍甚至几十倍，影响了响了传感器的灵敏度和感器的灵敏度和输出特性，出特性，严重重时会淹没会淹没传感器的有用信号，使感器的有用信号，使传感器无法正常任感器无法正常任务。因
27、此，。因此，减小或消除寄生减小或消除寄生电容的影响是容的影响是设计电容容传感器的关感器的关键。通常可采用如下方法：。通常可采用如下方法： 添加添加电容初始容初始值：添加：添加电容初始容初始值可以减小寄生可以减小寄生电容的影响。采用减小容的影响。采用减小电容式容式传感器极板之感器极板之间的的间隔，隔，增大有效覆盖面增大有效覆盖面积来添加初始来添加初始电容容值。 采用采用驱动电缆技技术：驱动电缆技技术又叫双又叫双层屏蔽等屏蔽等位位传输技技术，它，它实践上是一种等践上是一种等电位屏蔽法。位屏蔽法。驱动放大器是一个放大器是一个输入阻抗很高，具有容性入阻抗很高，具有容性负载，放大倍数，放大倍数为1的同相
28、放大器。的同相放大器。该方法的方法的难点在于要在很点在于要在很宽的的频带上上实现放大倍数等于放大倍数等于1，且，且输入入输出的相移出的相移为零。零。由于屏蔽由于屏蔽线上有随上有随传感器感器输出信号出信号变化而化而变化的化的电压，因此，因此称称为“驱动电缆。外屏蔽。外屏蔽层接大地或接接大地或接仪器地，用来防止器地，用来防止外界外界电场的干的干扰。图图4-15 驱动电缆技术原理图驱动电缆技术原理图 采用运算放大器法：运算放大器法的原理如下采用运算放大器法：运算放大器法的原理如下图图。它利用。它利用运算放大器的虚地来减小引运算放大器的虚地来减小引线电缆线电缆寄生寄生电电容容 。 图图4-16 运算放
29、大器法运算放大器法电容容传感器的一个感器的一个电极极经电缆芯芯线接运算放大器的接运算放大器的虚地虚地点，点，电缆的屏蔽的屏蔽层接接仪器地，器地，这时与与传感器感器电容相并容相并联的的为等效等效电缆电容容 ， 为运算放运算放大器的开大器的开环放大倍数，因此大大减小了放大倍数，因此大大减小了电缆电容的容的影响。影响。4.4 电容式传感器的运用电容式传感器的运用 电容式传感器的运用非常广泛，它可用来丈量液位电容式传感器的运用非常广泛，它可用来丈量液位和物位、压力、加速度、直线位移、角度和角位移、和物位、压力、加速度、直线位移、角度和角位移、厚度、振动和振幅、转速、温度、湿度及成分等参厚度、振动和振幅
30、、转速、温度、湿度及成分等参数。数。4.4.1 电容式压力传感器电容式压力传感器图图4-17所示是典型的差动电容式压力传感器。其主所示是典型的差动电容式压力传感器。其主要构造为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀要构造为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，构成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。构成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经丈量电路转换成与压力或压力差该电容值的变化经丈量电路转换成与压力或压力差相对应的电流
31、或电压的变化。相对应的电流或电压的变化。差动电容式压力传感器差动电容式压力传感器电容式压力传感器常用来丈量气体或液体的电容式压力传感器常用来丈量气体或液体的压力，其外形构造如下图。压力，其外形构造如下图。4.4.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器差动电容式加速度传感器主要由两个固定极板与外差动电容式加速度传感器主要由两个固定极板与外壳绝缘和一个质量块组成，中间的质量块采用弹壳绝缘和一个质量块组成，中间的质量块采用弹簧片来进展支撑，它的两个端面经过磨平抛光后作簧片来进展支撑，它的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。为可动极板。4.4.3 电容式位移传感器电容式位移传感器图示为一种圆筒式变面
32、积型电容式位移传感器。它采用差动式图示为一种圆筒式变面积型电容式位移传感器。它采用差动式构造，其固定电极构造，其固定电极3与外壳绝缘，其活动电极与外壳绝缘，其活动电极4与测杆与测杆1相连相连并彼此绝缘。并彼此绝缘。丈量时，动电极随被测物发生轴向挪动，从而改动活动电极与丈量时，动电极随被测物发生轴向挪动，从而改动活动电极与两个固定电极之间的有效覆盖面积，使电容发生变化，电容两个固定电极之间的有效覆盖面积，使电容发生变化，电容的变化量与位移成正比。开槽弹簧片的变化量与位移成正比。开槽弹簧片2为传感器的导向与支为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏度高，但行程小，主要用于接触式丈承，无机械摩擦，灵敏
33、度高，但行程小，主要用于接触式丈量。量。电容式传感器还可以用于丈量振动位移，以电容式传感器还可以用于丈量振动位移，以及丈量转轴的回转精度和轴心动态偏摆等，及丈量转轴的回转精度和轴心动态偏摆等，属于动态非接触式丈量，如下图。属于动态非接触式丈量，如下图。 a振幅丈量振幅丈量 b轴的回转精度和轴心偏摆丈量轴的回转精度和轴心偏摆丈量图图4-21 电容式传感器在振动位移丈量中的运用电容式传感器在振动位移丈量中的运用图图a a中电容传感器和被测物体分别构成电容的两中电容传感器和被测物体分别构成电容的两个电极，当被测物发生振动时，电容两极板之间的个电极，当被测物发生振动时，电容两极板之间的间隔发生变化，从
34、而改动电容的大小，再经丈量电间隔发生变化，从而改动电容的大小，再经丈量电路实现丈量。路实现丈量。图图b b所示电容传感器中，在旋转轴外侧相互垂直所示电容传感器中，在旋转轴外侧相互垂直的位置放置两个电容极板，作为定极板，被测旋转的位置放置两个电容极板，作为定极板，被测旋转轴作为电容传感器的动极板。轴作为电容传感器的动极板。丈量时，首先调整好电容极板与被测旋转轴之间的丈量时，首先调整好电容极板与被测旋转轴之间的原始间距，当轴旋转时因轴承间隙等缘由产生径向原始间距，当轴旋转时因轴承间隙等缘由产生径向位移和摆动时，定极板和动极板之间的间隔发生变位移和摆动时，定极板和动极板之间的间隔发生变化，传感器的电
35、容量也相应的发生变化，再经过丈化，传感器的电容量也相应的发生变化，再经过丈量转换电路即可测得轴的回转精度和轴心的偏摆。量转换电路即可测得轴的回转精度和轴心的偏摆。4.4.4 电容式液位传感器电容式液位传感器电容式液位传感器的构造如下图。测定电极安装在容电容式液位传感器的构造如下图。测定电极安装在容器的顶部，容器壁和测定电极之间构成了一个电容器的顶部，容器壁和测定电极之间构成了一个电容器。器。当容器内的被测物有一定液位高度时，由于被测物介当容器内的被测物有一定液位高度时，由于被测物介电常数的影响，传感器的电容发生变化，电容的变电常数的影响，传感器的电容发生变化，电容的变化量与被测液位的高度成线性
36、关系。只需经过丈量化量与被测液位的高度成线性关系。只需经过丈量转换电路检测出电容的变化量，就可以测出液位的转换电路检测出电容的变化量，就可以测出液位的高度。高度。传感器的电容量可表示为：传感器的电容量可表示为：可见，电容器的电容量与被测液位高度成线性关系，可见，电容器的电容量与被测液位高度成线性关系，且两种介质的介电常数相差越大、容器的内径与电且两种介质的介电常数相差越大、容器的内径与电极的直径相差越小，传感器的电容变化量就越大，极的直径相差越小，传感器的电容变化量就越大，灵敏度就越高。灵敏度就越高。由于被测对象的性质不一样，不同介质的导由于被测对象的性质不一样，不同介质的导电性能不一样，电容
37、式液位传感器在不导电电性能不一样，电容式液位传感器在不导电液体和导电液体的液位丈量过程中，其构造液体和导电液体的液位丈量过程中，其构造也会有差别，如下图。也会有差别，如下图。图图4-23 电容式液位传感器的构造电容式液位传感器的构造电容式液位传感器被广泛运用于工业丈量中。几类电容式液位传感器被广泛运用于工业丈量中。几类常见的电容式液位传感器如下图。常见的电容式液位传感器如下图。a棒式探极棒式探极 b同轴探极同轴探极 c缆式探极缆式探极图图4-24 几类常见的电容式液位传感器几类常见的电容式液位传感器图图4-25所示为电容式传感器在油箱液位检测中的运用。所示为电容式传感器在油箱液位检测中的运用。
38、4.4.5 电容式测厚传感器电容式测厚传感器 电容式传感器测厚的原理如下图。在被测带材的上下电容式传感器测厚的原理如下图。在被测带材的上下两侧各装设一块面积相等、与带材间隔相等的极板，两侧各装设一块面积相等、与带材间隔相等的极板，这样两极板与带材之间构成两个独立电容。这样两极板与带材之间构成两个独立电容。假设带材的厚度变化，将引起电容的变化，再用交流假设带材的厚度变化，将引起电容的变化，再用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由显电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由显示仪表显示出带材厚度的变化，从而实现带材厚度示仪表显示出带材厚度的变化，从而实现带材厚度的在线检测。的在线检测。图
39、图4-27所示为电容式测厚传感器在板材轧制安装中所示为电容式测厚传感器在板材轧制安装中的运用电路。两块极板用导线衔接成一个电极，而的运用电路。两块极板用导线衔接成一个电极，而板材就是电容的另一个电极，其总电容为板材就是电容的另一个电极，其总电容为图图4-27 电容式测厚传感器运用电路电容式测厚传感器运用电路4.4.6 电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器 电容式指纹识别传感器是一种新型的传感器。电容式指纹识别传感器是一种新型的传感器。它在一些防盗系统、高科技以及重要场所中得到了它在一些防盗系统、高科技以及重要场所中得到了运用，如用于笔记本电脑、手机及汽车等的指纹识运用，如用于笔记本电脑、手
40、机及汽车等的指纹识别及防盗，如下图。别及防盗，如下图。(a)笔记本指纹识别笔记本指纹识别 (b)指纹识别手机指纹识别手机 (c)汽车防盗指纹识别汽车防盗指纹识别图图4-28 电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器1电容式键盘电容式键盘常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，电容式键盘的原理键盘是基于电容式开关的键盘，电容式键盘的原理是经过按键改动电极间的间隔产生电容量的变化，是经过按键改动电极间的间隔产生电容量的变化，以实现信息的转换。以实现信息的转换。2指纹识别指纹识别指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片外表由假设干个电容传感器组成。外表由假设干个电容传感器组成。当人把手指放在传感器上时，手指充任电容器的另外当人把手指放在传感器上时，手指充任电容器的另外一个电极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一一个电极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅外表电容阵列的各个电容电压不同；致，导致硅外表电容阵列的各个电容电压不同；经过丈量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级经过丈量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图像，从而到达区分指纹的目的。的指纹图像，从而到达区分指纹的目的。
