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1、项目三目三电容容传感器感器Page 22024/9/21项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器项项目引入目引入目引入目引入 电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至0.05m的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。 当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。 电容式传
2、感器是利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变化，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式Page 32024/9/21项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器项项目引入目引入目引入目引入 测厚仪作为一种在线测量板材厚度的高精密仪器，在整个轧机的厚控系统中占着非常重要的地位。它为轧机的AGC系统提供实时厚度偏差信号，信号的准确度与分辨力直接影响了压扎板材的厚度质量。 Page 42024/9/21第一第一节 电容式容式传感器的工作原理及感器的工作原理及结构形式构形式项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式
3、传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备电容容传感器的基本理想公式感器的基本理想公式为 改改变A A、d d、 三个参量中的任意一个量，均可使平板三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的容的电容量容量C C 改改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的型的电容容传感器。感器。 电容式容式传感元件的各种感元件的各种结构形式构形式项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备电容式容式传感器感器传感元件感元件一、一、变面面积式式电容容传感器感器项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识
4、识准准准准备备 图a a是平板形直是平板形直线位移式位移式结构，其中极板构，其中极板1 1可以左右移可以左右移动，称，称为动极板。极板极板。极板2 2固固定不定不动，称，称为定极板。定极板。图b b是同心是同心圆筒形筒形变面面积式式传感器。外感器。外圆筒不筒不动，内，内圆筒在外筒在外圆筒内作筒内作上、下直上、下直线运运动。图c c是一个角位移式的是一个角位移式的结构。极板构。极板2 2的的轴由被由被测物体物体带动而旋而旋转一个角位移一个角位移 度度时，两极板的遮盖面，两极板的遮盖面积A A就减小，因而就减小，因而电容量也随之减小。容量也随之减小。变面面积式式电容容传感器的特性感器的特性 变面面
5、积式式电容容传感器的感器的输出特性是出特性是线性的，灵敏度是常数。性的，灵敏度是常数。这一一类传感器多用于感器多用于检测直直线位移、角位移、尺寸等参量。位移、角位移、尺寸等参量。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备二、二、变极距式极距式电容容传感器感器 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备二、二、变极距式极距式电容容传感器感器 当当动极极板板受受被被测物物体体作作用用引引起起位位移移时，改改变了了两两极极板板之之间的的距距离离d，从从而而使使电容容量量发生生变化化。 实际使使用用时，总是是使使初
6、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，但但这也也带来来了了变极极距距式式电容器的行程容器的行程较小的缺点。小的缺点。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备变极距式极距式电容容传感器的特性曲感器的特性曲线 a a）结构示意构示意图 b b）电容量与极板距离的关系容量与极板距离的关系11定极板定极板 22动极板极板 从从图中可以看到，中可以看到，为了提高灵敏度，了提高灵敏度，应使当使当d0d0小些小些还是大是大些？当些？当变极距式极距式电容容传感器的初始极距感器的初始极距d0d0较小小时，它的，它的测量量范范围变大大还是是变小
7、小？ 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备为提提高高灵灵敏敏度度和和线性性度度，克克服服电源源电压、环境境温温度度变化化等等外外界界条条件件影影响响，常常采用差采用差动式式电容容传感器感器上下两极板是固定极板，中上下两极板是固定极板，中间极板是活极板是活动极板极板未未开开始始测量量时将将活活动极极板板调整整在在中中间位位置置，两两边电容容相相等等。测量量时，中中间极极板向上或下平移，就会引起板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。容量的上增下减或反之。差差动式式结构构12S差差动平板式平板式电容容传感器感器结构构项项目四目四目四目四 电
8、电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备例例:解：解： 1） 2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格格 一一电容容测微微仪，其其传感感器器的的圆形形极极板板半半径径r=4mm，工工作作初初始始间隙隙d=0.3mm，介介电常数常数=8.8510-12F/m，试求：求：1)工作中，若工作中，若传感器与工件的感器与工件的间隙减小量隙减小量d=2m, 电容容变化量是多少化量是多少?2)若若测量量电路路的的灵灵敏敏度度S1=100mv/PF, 读数数仪表表的的灵灵敏敏度度S2=5格格/mv
9、, 当当d=2m,时，读数数仪表示表示值变化多少格化多少格?项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备常用常用变介介质型型电容容传感器的感器的结构型式如下构型式如下图所示。所示。用途：用途：测量量纸张、绝缘薄膜等的厚度薄膜等的厚度测量粮食、量粮食、纺织品、木材或煤等非品、木材或煤等非导电固体介固体介质的湿度的湿度项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备三、三、变介介电常数式常数式 三、三、变介介电常数式常数式 表表4-14-1几种介几种介质的相的相对介介电常数常数项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式
10、传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 因因为各种介各种介质的相的相对介介电常数不同，所以在常数不同，所以在电容器两极板容器两极板间插入插入不同介不同介质时，电容器的容器的电容量也就不同。容量也就不同。变介介电常数式常数式电容容传感器的用途感器的用途 根据表根据表4-1，分析不同介，分析不同介质对变介介电常数常数电容器的影响。在容器的影响。在电容器两极板容器两极板间插入干的插入干的纸和潮湿的和潮湿的纸时，哪一种情况下的，哪一种情况下的电容量大？容量大？项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 电容容传感感器器的的特特点点：电容容量量小小，变化
11、化更更小小（PF级）。理理论上上，交交流流电桥可可作作为电容容传感感器器的的测量量电路路，但但由由于于电容容及及变化化太太小小，不易不易实现。电桥电路路调频电路路谐振振电路路运算放大器式运算放大器式电路路脉冲脉冲宽度度调制制电路路第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 （电桥电路
12、路 ）另两个臂是另两个臂是另两个臂是另两个臂是紧紧耦合耦合耦合耦合电电感臂的感臂的感臂的感臂的电桥电桥具有具有具有具有较较高高高高的灵敏度和的灵敏度和的灵敏度和的灵敏度和稳稳定性，且寄生定性，且寄生定性，且寄生定性，且寄生电电容影响极小、容影响极小、容影响极小、容影响极小、大大大大大大大大简简化了化了化了化了电桥电桥的屏蔽和接地，适合于高的屏蔽和接地，适合于高的屏蔽和接地，适合于高的屏蔽和接地，适合于高频电频电源下工作。源下工作。源下工作。源下工作。Cr1Cr2U0U（d）变压变压器器器器电桥电桥使用元件最少，使用元件最少，使用元件最少，使用元件最少，桥桥路内阻最小，因此目前路内阻最小，因此目
13、前路内阻最小，因此目前路内阻最小，因此目前较较多采用。多采用。多采用。多采用。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 （电桥电路路 ） 电桥的的输出出为一一调幅波，幅波，经放大、相敏解放大、相敏解调、滤波后波后获得得输出。出。 第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 （电桥电路路 ） 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备传感感器器电容容是是振振荡器器谐振振回回路路的的一一部部分分。当当输入入量量使使传感感器器电容容量量发生生变化化时
14、，振振荡器器的的振振荡频率率发生生变化化。频率率的的变化化经过鉴频器器变为电压变化化，再再经过放放大大后由后由记录器器记录或或显示示仪表指示。表指示。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 （调频电路路 ） 特点：特点：电路比路比较灵敏；工作点不易灵敏；工作点不易选好，且好，且变化范化范围窄；窄；连接接电缆杂散散电容容对电路的影响大；路的影响大；为提高提高测量精度，振量精度，振荡器的器的频率要求具有很高的率要求具有很高的稳定性定性电容容传感感器器的的电容容Cx作作为谐振振电路路(或或)调谐电容容
15、的的一部分。一部分。此此谐振振回回路路通通过电感感耦耦合合，从从稳定定的的高高频振振荡器器获得振得振荡电压。当当传感感器器的的电容容CxCx发生生变化化，谐振振回回路路的的阻阻抗抗也也发生生相相应变化化，并并被被转换成成整整流流器器电流流的的变化。化。该电流流经过放大、放大、检波即可得到波即可得到输出。出。为了了获得得较好好的的线性性，一一般般工工作作点点应选择在在谐振曲振曲线一一边最大振幅的最大振幅的70附近的准附近的准线性区域内。性区域内。 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 （谐振振电
16、路路 ） 运算放大器式运算放大器式电路原理路原理图特点能将特点能将变间隙隙电容式容式传感器的非感器的非线性特性性特性转换为线性关系性关系项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 （运放运放电路路 ） 脉冲脉冲宽度度调制制电路路 利用利用利用利用对传对传感器感器感器感器电电容的充放容的充放容的充放容的充放电电使使使使电电路路路路输输出脉冲的出脉冲的出脉冲的出脉冲的宽宽度随度随度随度随传传感感感感器器器器电电容量的容量的容量的容量的变变化而化而化而化而变变化。化。化。化。C C1 1、C C2 2传传
17、感器的差感器的差感器的差感器的差 动电动电容；容；容；容；U Ur r参考参考参考参考电压电压。电压比比较器器A1、A2双双稳态触触发器器电容充放容充放电回路回路常用于差常用于差动式式电容容传感器感器项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第二第二节 电容式容式传感器的感器的测量量转换电路路 ( (脉脉宽调制制电路路 ） 第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用用 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 电容器的容量受三个因素影响，即：极距容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相、相对面面积A 和极和
18、极间介介电常数常数 。固定其中两个。固定其中两个变 量，量，电容量容量C 就是另一个就是另一个变量的一量的一元函数。只要想元函数。只要想办法将被法将被测非非电量量转换成极距或者面成极距或者面积、介、介电常常数的数的变化，就可以通化，就可以通过测量量电容量容量这个个电参数来达到非参数来达到非电量量电测的目的。的目的。 6.5 电容式容式传感器的感器的应用用第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（差用（差动电容式容式压力力传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备差差动式式电容加速度容加速度传感器感器结构构图 第三第三节 电容式容式传感器
19、的感器的应用（用（电容式加速度容式加速度传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 当当传感感器器壳壳体体随随被被测对象象沿沿垂垂直直方方向向作作直直线加加速速运运动时， 质量量块在在惯性性空空间中中相相对静静止止，两两个个固固定定电极极将将相相对于于质量量块在在垂垂直直方方向向产生生大大小小正正比比于于被被测加加速速度度的的位位移移。此此位位移移使使两两电容容的的间隙隙发生生变化化，一一个个增增加加，一一个个减减小小，从从而而使使C1、C2产生生大大小小相相等等、符符号号相相反反的的增增量量，此增量正比于被此增量正比于被测加速度。加速
20、度。 电容容式式加加速速度度传感感器器的的主主要要特特点点是是频率率响响应快快和和量量程程范范围大大， 大大多多采采用用空空气气或其它气体作阻尼物或其它气体作阻尼物质。 第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式加速度容式加速度传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备加速度加速度传感器在汽感器在汽车中的中的应用用 装有装有传感器的感器的假人假人气囊气囊项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 加速度加速度传感器安装在感器安装在轿车上，可以作上，可以作为碰撞碰撞传感器。当感器。当测
21、得的得的负加速度加速度值超超过设定定值时，微，微处理器据此判断理器据此判断发生了碰撞，于是就启生了碰撞，于是就启动轿车前部的折前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住，托住驾驶员及前排乘及前排乘员的胸部和的胸部和头部。部。汽汽车气囊的保气囊的保护作用作用项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 使用加速度使用加速度传感器可以在汽感器可以在汽车发生碰撞生碰撞时，经控制系控制系统使气囊迅速充气使气囊迅速充气 。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备汽汽车气囊气囊对驾驶员的保的保护作
22、用作用电容式容式传感器感器下下图是改是改变极板极板间介介质的的电容式容式传感器的一种感器的一种应用，用于用，用于测量液位高低，其量液位高低，其结构原理构原理图如下：如下：式中：式中：C0由由传感器的基本尺寸感器的基本尺寸 决定的初始决定的初始电容容值； 空气介空气介电常数。常数。 第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式液位容式液位传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备被被测介介质的介的介电常数常数为1，液液面面高高度度为 h, 变换器器总高高度度为H, 内内筒筒外外径径为 d, 外筒内径外筒内径为 D则此此时变换器器电
23、容容值为： 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备可可见，变换器的器的电容增量容增量C正比于被正比于被测液位高液位高度度h。第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式液位容式液位传感器）感器） 电容式液位容式液位传感器不感器不仅能能测量腐量腐蚀性液体，性液体，还能能测量粉量粉尘和固体和固体颗粒，粒，可用于制可用于制药、化工、食品等行、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生控、奶制品生产线液位液位测控、制控、制药厂反厂反应罐、油箱液位罐、油箱液位测量等。量等。选用用带同同轴接地管全接地管全绝缘探探头。电容式液位
24、容式液位传感器不感器不仅能能测量腐量腐蚀性液体，性液体，还能能测量粉量粉尘和固体和固体颗粒，可用粒，可用于制于制药、化工、食品等行、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生控、奶制品生产线液位液位测控、控、制制药厂反厂反应罐、油箱液位罐、油箱液位测量等。量等。选用用带同同轴接地管全接地管全绝缘探探头。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式液位容式液位传感器）感器）第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式液位容式液位传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式
25、容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式液位容式液位传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 电容容测厚厚传感感器器是是用用来来对金金属属带材材在在轧制制过程程中中厚厚度度的的检测，其其工工作作原原理理是是在在被被测带材材的的上上下下两两侧各各置置放放一一块面面积相相等等，与与带材材距距离离相相等等的的极极板板，这样极极板板与与带材材就就构构成成了了两两个个电容容器器C1、C2。把把两两块极极板板用用导线连接接起起来来成成为一一个个极极，而而带材材就就是是电容容的的另
26、另一一个个极极，其其总电容容为C1 + C2 ，如如果果带材材的的厚厚度度发生生变化化，将将引引起起电容容量量的的变化化， 用用交交流流电桥将将电容容的的变化化测出出来，来，经过放大即可由放大即可由电表指示表指示测量量结果。果。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式容式测厚厚传感器）感器） 电容容测厚厚传感感器器是是用用来来对金金属属带材材在在轧制制过程程中中厚厚度度的的检测，其其工工作作原原理理是是在在被被测带材材的的上上下下两两侧各各置置放放一一块面面积相相等等，与与带材材距距离离相相等等的
27、的极极板板，这样极极板板与与带材材就就构构成成了了两两个个电容容器器C1、C2。把把两两块极极板板用用导线连接接起起来来成成为一一个个极极，而而带材材就就是是电容容的的另另一一个个极极，其其总电容容为C1 + C2 ，如如果果带材材的的厚厚度度发生生变化化，将将引引起起电容容量量的的变化化， 用用交交流流电桥将将电容容的的变化化测出出来来，经过放放大大即即可可由由电表表指示指示测量量结果。果。第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式容式测厚厚传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备差差动式式电容容测厚厚仪系系统组成框成框图
28、 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式容式测厚厚传感器）感器）聚四氟乙聚四氟乙烯外套外套项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式液位容式液位计） 棒状棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当套管，当被被测液体的液面上升液体的液面上升时，引起棒状，引起棒状电极与极与导电液体之液体之间的的电容容变大。大。第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式液位限位容式液
29、位限位传感器）感器）项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 液位限位液位限位传感器与液位感器与液位变送器的区送器的区别在于：在于：它不它不给出模出模拟量，而是量，而是给出开关量。当液位到达出开关量。当液位到达设定定值时，它，它输出低出低电平。但也可以平。但也可以选择输出出为高高电平的型号。平的型号。第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用用液位限位液位限位传感器的感器的设定定设定按定按钮电容式容式传感器感器项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 智能化液位智能化液位传感器的感器的设定方定方法十分法十
30、分简单：用手指：用手指压住住设定按定按钮，当液位达到，当液位达到设定定值时，放开，放开按按钮，智能，智能仪器就器就记住住该设定。定。正常使用正常使用时，当水位高于，当水位高于该点后，点后，即可即可发出出报警信号和控制信号。警信号和控制信号。第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式接近开关）容式接近开关） 项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备 被被检测物体可以是物体可以是导电体、含水的物体（例如体、含水的物体（例如饲料、人体等）；料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被位器，可以根据被测物不同来改物不同来改变动作距离。作距离。项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备电容式接近开关在物位容式接近开关在物位测量控制中的使用量控制中的使用全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）距离式（大量程）电容式容式传感器感器项项目四目四目四目四 电电容式容式容式容式传传感器感器感器感器知知知知识识准准准准备备第三第三节 电容式容式传感器的感器的应用（用（电容式接近开关）容式接近开关）
