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1、第五章第五章 电容传感器电容传感器 本章学习本章学习电容电容传感器的原理传感器的原理及应用，还涉及压力、液位及流及应用，还涉及压力、液位及流量的测量方法。量的测量方法。9/22/20241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上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？几种类型的电容传感器？ 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为9/22/20242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改变改变A A、d d、 三个参量中的任意一个量，均可使三个参量中
2、的任意一个量，均可使平板电容的电容量平板电容的电容量C C 改变。改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。容传感器。 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为9/22/20243一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。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是同心圆筒形是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外
3、圆筒内作上、下直线运动。图线运动。图c c是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板2 2的轴由被测物体带的轴由被测物体带动而旋转一个角位移动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因就减小，因而电容量也随之减小。而电容量也随之减小。9/22/20244变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线性的，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。移、角位移、尺寸等参量。请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！请画
4、出变面积式电容传感器的输出特性曲线！9/22/20245二、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，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改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量从而使电容量发生变化。发生变化。 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式电容器的行程较小的缺点。距式电容器的行程较小的缺点。9/22/20246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，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度
5、，应使当d d0 0小小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较较小时，它的测量范围变大还是变小？小时，它的测量范围变大还是变小？ 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9/22/20247三、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，所以在电因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。就不同。表表5-1 5-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数9/22
6、/20248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 根据根据表表5-15-1，分析，分析不同介质对变介电常数电容器不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？非电量？9/22/20249第二节第二节 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 （调频电路调频电路 ）调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为LC LC 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容回路的一部分，当电
7、容传感器工作时，电容Cx 发发生变化，就使振荡器的频率生变化，就使振荡器的频率f 产生相应的变化。产生相应的变化。 电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？式中哪些量是变量？何区别？式中哪些量是变量？9/22/202410调频（调频（FM）电路电路TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？9/22/202411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、相对面积相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。
8、固定其中两个变量，量，电容量电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办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成极距或者面积、介电常数法将被测非电量转换成极距或者面积、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。到非电量电测的目的。 9/22/202412一、电容式液位计一、电容式液位计棒状电极（金属管）外棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间起棒状电极与导电液体之间的电容变大。的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟
9、乙烯外套9/22/202413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：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。9/22/202414液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 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，
10、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9/22/202415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9/22/202416二、硅微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作惯性力或重力加速度。其工作电压为电压为
11、2.72.75.255.25V V，加速度测加速度测量范围为数个量范围为数个g g，可输出与加可输出与加速度成正比的电压也可输出占速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM脉脉冲。冲。9/22/202417微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g，量程：量程：10g，频率范围：频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点安装谐振点:8kHz，分辨力：分辨力：0.00004g，重量：重量：200g，安装螺纹：安装螺纹：M5mm，线性误差：线性误差：1% 1% 9/22/202418硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度
12、传感器原理 1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）9/22/202419利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端
13、固定在衬底上，所以相是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达达1 1kHzkHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范
14、围可达1010g g 以上以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。器，就可以测量三维方向的振动或加速度。9/22/202420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，得的负加速度值超过设定值时， 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，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，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
15、驾驶员及前排乘员的胸部和头部。托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的假器的假人人气囊气囊9/22/202421汽车气囊的保护作用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时，经控制系统使气囊迅速充气。9/22/202422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9/22/202423利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置9/22/202424三、湿敏电容三、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容利用具有很大吸湿性的绝缘材
16、料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 9/22/202425湿敏电容湿敏电容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜9/22/202426湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形9/22/202427湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带带报
17、警器的家庭使用型报警器的家庭使用型9/22/202428多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 9/22/202429四、电容式油量表四、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表：在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。9/22/202430电容式油量表电容式油量表当当油油箱箱中中注注满满油油时时，液液位位上上升升，指指针针停停留留在在转转角角为为 m处处。当当油油箱箱中中的的油油位位降降低低时时，电电容容传传感感器器的的电电容容量量
18、Cx减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡，伺伺服服电电动动机机反反转转，指指针针逆逆时时针针偏偏转转（示示值值减减小小），同同时时带带动动RP的的滑滑动动臂臂移移动动。当当RP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，伺伺服服电电动动机机停停转转，指指针针停停留留在在新新的的位位置置（ x 处）。处）。该油量该油量表属于开环表属于开环系统还是闭系统还是闭环系统？环系统？9/22/202431 上上页页所示的油量表在倾斜状态时可所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？以使用吗？为什么？该油量该油量表可用于表可用于飞机油箱飞机油箱9/22/202432五、电
19、容式接近开关五、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）体等）；可以是接地的，也可以是不接地；可以是接地的，也可以是不接地的。的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。器，可以根据被测物不同来改变动作距离。9/22/202433电容式接近开关外形电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式9/22/202434非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开关的安装 非齐非齐平式平式安装时，传感器高于安安装时，传感器高于
20、安装支架，易损坏。装支架，易损坏。9/22/202435全全密封防水密封防水式式远距离式（大量程）远距离式（大量程）9/22/202436电容接近开关的规格电容接近开关的规格9/22/202437电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用9/22/202438 电容式接近开关在电容式接近开关在 液位物位测量控制中的使用液位物位测量控制中的使用9/22/202439 电容式接近开关在物位测量控制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示中的使用演示9/22/202440不同材料的非金属检测物对电容式接不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响近开关动作距离的影响9/22/202441本章作业：本章作业：P 94P 94：5 5、6 69/22/202442休息一下休息一下9/22/202443
