1、2008-10-3 1 自動檢測與轉換技術自動檢測與轉換技術2008-10-3 2 第五章 電容傳感器1、了解電容傳感器的工作原理；、了解電容傳感器的工作原理； 2、掌握電容傳感器的應用；、掌握電容傳感器的應用； 3、了解電容接近開關的原理及應用；、了解電容接近開關的原理及應用； 4、了解流量的測量方法。、了解流量的測量方法。 2008-10-3 3 第一節 電容式傳感器的工作原理及結構形式0 rAACdd 電容式傳感器的電容值變化的工作原理可以通過如電容式傳感器的電容值變化的工作原理可以通過如圖所示的平板電容器來說明。當忽略邊緣效應時，電容圖所示的平板電容器來說明。當忽略邊緣效應時，電容器的

2、電容值為器的電容值為 式中 A兩極板相互遮蓋的有效面積； d兩極板間的距離，也稱為極距； 兩極板間介質的介電常數； r兩極板間介質的相對介電常數 0真空的介電常數 結論：在結論：在A、d、三個參量中，改變其中任意一個量，均三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量可使電容量C改變。也就是說，電容量改變。也就是說，電容量C是是A、d、的函數，的函數，固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：變面積式、變極距式、變介電常數式。變面積式、變極距式、變介電常數式。上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？上式中，哪幾個參量

3、是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？2008-10-3 4 一、變面積式電容傳感器000()(1)XXb axAxCCaeedd= 如圖是平板形直線位移式結構，如圖是平板形直線位移式結構，其中極板其中極板1可以左右移動，稱為動極可以左右移動，稱為動極板。極板板。極板2固定不動，稱為定極板。固定不動，稱為定極板。 設兩極板原來的遮蓋長度為設兩極板原來的遮蓋長度為a0,極板寬度為極板寬度為b,極距為極距為d，極板，極板間介質的介電常數為間介質的介電常數為。當動極。當動極板隨被測物體移動板隨被測物體移動x時，電容量時，電容量將隨之改變。電容值為將隨之改變。電容值為 式中，C0初始電容值，C0=b

4、a0/d)1 ()(000axCdxabdACXX 從式中可知，增大極板長度從式中可知，增大極板長度b，減小極距，減小極距d，可提高，可提高靈敏度。但極距不可太小，否則容易引起短路。靈敏度。但極距不可太小，否則容易引起短路。 2008-10-3 5 如圖是同心圓筒形變面積式傳如圖是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內圓筒在外圓感器。外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。筒內作上、下直線運動。式中x外圓筒與內圓筒覆蓋部分長度（m)； r1、r2外圓筒內半徑與內圓筒（或內圓柱）外半徑，即它們的工作半徑（m)。 x變化時，電容量變化，靈敏度為變化時，電容量變化，靈敏度為圓柱線位移型電容器

5、的電容為:12/ln2rrxC 2008-10-3 6 如圖是一個角位移式的結構。如圖是一個角位移式的結構。極板極板2 2的軸由被測物體帶動而旋轉一的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移個角位移 度時，兩極板的遮蓋面積度時，兩極板的遮蓋面積A A就減小，因而電容量也隨之減小。就減小，因而電容量也隨之減小。 當覆蓋面積對應的中心角為當覆蓋面積對應的中心角為a、極板半徑為極板半徑為r時，覆蓋面積為時，覆蓋面積為：電容量為：電容量為：其靈敏度為其靈敏度為 上述可知，面積變化型電容傳感器的優點是輸出與輸入上述可知，面積變化型電容傳感器的優點是輸出與輸入成線性關系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于成線

6、性關系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測量。較大角位移及直線位移的測量。 2008-10-3 7 二、變極距式電容傳感器 當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離極板之間的距離 ，從而使電容量發生變化。，從而使電容量發生變化。 實際使用時，總是使初始極距實際使用時，總是使初始極距 0盡量小些，以提高靈盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。 根據式根據式如果如果 S 、 不變，當不變，當變化，引起電容量的變化變化，引起電容量的變化

7、為：為： 傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為： 2008-10-3 8 變極距式電容傳感器的特性曲線 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應使當從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應使當d d0 0小些還是小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d d0 0較小時，它的測量較小時，它的測量范圍變大還是變小？范圍變大還是變小？ a） 結構示意圖結構示意圖 b）電容量與極板距離的關系）電容量與極板距離的關系 1定極板定極板 2動極板動極板 2008-10-3 9 差動電容傳感器差動電容傳感器 為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性 ，常

8、采用差動結構常采用差動結構外界的影響諸如溫度、外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化激勵源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消等也基本能相互抵消 2008-10-3 10 三、變介電常數式 當相對介電常數為當相對介電常數為r的的介電質的厚度為介電質的厚度為時，其電時，其電容值為容值為 0 00()()rbCllleed=-+x ）（ 153 0 xxabC2008-10-3 11 因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。 表表5-1 5-1 幾種介質的相

9、對介電常數幾種介質的相對介電常數 根據根據表表5-15-1，分析，分析不同介質對變介電常數電容器的影不同介質對變介電常數電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？2008-10-3 12 一一、橋式電路、橋式電路 CCCCCCxx0201第二節 電容式傳感器的測量轉換電路 圖圖（b）中，設）中，設 圖圖a)為單臂接法的橋式測量電路，電路中的高頻電源經為單臂接法的橋式測量電路，電路中的高頻電源經變壓器接到電容電橋的一條對角線上，電容變壓器接到電容

10、電橋的一條對角線上，電容C1、C2、C3、CX構成電橋電路的構成電橋電路的4個橋臂，其中個橋臂，其中CX為電容傳感器。當無信為電容傳感器。當無信號輸入時，交流電橋平衡，即號輸入時，交流電橋平衡，即C1/C2=CX/C3，輸出電壓，輸出電壓=0。當當CX改變時，則改變時，則 U0 0，有電壓輸出。，有電壓輸出。 2008-10-3 13 缺點：由于電路輸出為交流電，應進行相敏檢波后，才能辨別缺點：由于電路輸出為交流電，應進行相敏檢波后，才能辨別位移方向。位移方向。 對于變間隙式差分電容傳感器經分析推導可得：對于變間隙式差分電容傳感器經分析推導可得： ），（其中ddACddACxx020102dd

11、UUo優點：把變間隙式電容傳感器的位移與電容的非線性關系優點：把變間隙式電容傳感器的位移與電容的非線性關系 轉化為位移與輸出電壓的線性關系。轉化為位移與輸出電壓的線性關系。 02CCUUo可得：可得： 22UUUxCo2221UZZZUxxxCCC21212xxxxCCCCU2111221UCjCjCjUxxx2008-10-3 14 調頻電路將電容式傳感器作為調頻電路將電容式傳感器作為 LC LC 振蕩器諧振振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx 發生發生變化，就使振蕩器的頻率變化，就使振蕩器的頻率 f 產生相應的變化。產生相應的變化。 電

12、容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器有何區別？電容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器有何區別？式中哪些量是變量？式中哪些量是變量？ 01 5-22fLC二、二、調頻電路調頻電路2008-10-3 15 第三節 電容式傳感器的應用 電容器的容量受三個因素影響，即：極距電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積、相對面積A 和極間介電常數和極間介電常數 。固定其中兩。固定其中兩個變個變 量，電容量量，電容量C 就是另一個變量的一元函數。就是另一個變量的一元函數。只要想辦法將被測非電量轉換成極距或者面積、只要想辦法將被測非電量轉換成極距或者面積、介電常數的變化，就可以通過測量電容量這個介電常數的變

13、化，就可以通過測量電容量這個電參數來達到非電量電測的目的。電參數來達到非電量電測的目的。 2008-10-3 16 一、電容測厚儀 電容測厚儀可以用電容測厚儀可以用來測量金屬帶材在扎制來測量金屬帶材在扎制過程中的厚度的儀器，過程中的厚度的儀器，其工作原理如圖所示。其工作原理如圖所示。 1-金屬帶材金屬帶材 2-電容極板電容極板 3-傳動輪傳動輪 4-軋棍軋棍 返返 回回 測測厚時，在被測金屬帶材的上、下兩側各安裝一厚時，在被測金屬帶材的上、下兩側各安裝一塊面積塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣金屬帶材的上下兩個相等、與帶材距離相等的極板，這樣金屬帶材的上下兩個表面與上下兩個極板分別形成電容

14、。其總的電容量表面與上下兩個極板分別形成電容。其總的電容量C C就應是就應是兩個極板的電容之后（兩個極板的電容之后（C=CC=C1 1+C+C2 2）。如果帶材的厚度發生變）。如果帶材的厚度發生變化，用交流電橋將這一變化檢測出來，然后經放大就可以化，用交流電橋將這一變化檢測出來，然后經放大就可以在相應的顯示儀表上把帶材的厚度變化顯示出來在相應的顯示儀表上把帶材的厚度變化顯示出來2008-10-3 17 二、硅微加工加速度傳感器二、硅微加工加速度傳感器 1 1加速度測試單元加速度測試單元 2 2信號處理電路信號處理電路 3 3襯底襯底 4 4底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極） 5 5多晶硅

15、懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極） 在硅襯底上，制造出三個多晶在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容硅電極，組成差動電容C C1 1、C C2 2。圖。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。底上，所以相當于懸臂梁。 當它感受到上下振動時，當它感受到上下振動時，C C1 1、C C2 2呈差動變化。與加速度測試單元呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路封裝在同一殼體中的信

16、號處理電路將將C C 轉換成直流輸出電壓。它的轉換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內，所以集激勵源也做在同一殼體內，所以集成度很高。成度很高。2008-10-3 18 加速度傳感器在汽車中的應用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，當測得的負加速度值超過設定值時， 微處理器微處理器據此判斷據此判斷發生了碰發生了碰 撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝

17、有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊2008-10-3 19 利用加速度傳感器實現 延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置2008-10-3 20 三、濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質，在其兩側面鍍上多孔性電極。當相對濕度增大時，吸濕質，在其兩側面鍍上多孔性電極。當相對濕度增大時，吸濕性介質吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介性介質吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介電常數大為增加（水的相對介電常數為電常數大為增加（水的相對介電常數為8080），所以電容量增），所以電容量增大。大。 2008-10-3

18、 21 四、電容式油量表分析油量表工作原理：分析油量表工作原理： 1、當油箱中無油時，電容傳感器的電容量、當油箱中無油時，電容傳感器的電容量Cx =Cx 0，調節匹配電容使，調節匹配電容使C0=Cx 0，R4=R3；并使調零電位器；并使調零電位器RP的滑動臂位于的滑動臂位于0點，即點，即RP的電阻值的電阻值為為0。此時，電橋滿足。此時，電橋滿足Cx /C0=R4 /R3的平衡條件，電橋輸出為零，伺服電的平衡條件，電橋輸出為零，伺服電動機不轉動，油量表指針偏轉角動機不轉動，油量表指針偏轉角 =0。2008-10-3 22 2、當油箱中注滿油時，液位上升至、當油箱中注滿油時，液位上升至h處，處，C

19、x=Cx0+ Cx，而，而 Cx與與h成成正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經放大后驅動伺服電動機，經放大后驅動伺服電動機，再由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉，同時帶動再由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉，同時帶動RP的滑動臂移動，從的滑動臂移動，從而使而使RP阻值增大，阻值增大，Rc d =R3+RP也隨之增大。當也隨之增大。當RP阻值達到一定值時，阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，電橋又達到新的平衡狀態，Uo=0，于是伺服電動機停轉，指針停留在轉，于是伺服電動機停轉，指針停留在轉角為角為處。處。 3、由于指針及可變電阻的滑動臂同時為伺服電

20、動機所帶動，因此，、由于指針及可變電阻的滑動臂同時為伺服電動機所帶動，因此，RP的阻值與的阻值與 間存在著確定的對應關系，即間存在著確定的對應關系，即正比于正比于RP的阻值，而的阻值，而RP的阻的阻值又正比于液位高度值又正比于液位高度h，因此可直接從刻度盤上讀得液位高度，因此可直接從刻度盤上讀得液位高度h。2008-10-3 23 4、當油箱中的油位降低時，伺服電動機反轉，指針逆時針偏、當油箱中的油位降低時，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減小），同時帶動轉（示值減小），同時帶動RP的滑動臂移動，使的滑動臂移動，使RP阻值減小。阻值減小。當當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，阻

21、值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，Uo=0，于是伺服電動機再次停轉，指針停留在與該液位相對應的轉于是伺服電動機再次停轉，指針停留在與該液位相對應的轉角角處。處。 5、從以上分析得到涉及、從以上分析得到涉及“閉環控制閉環控制”的結論：放大器的非線性的結論：放大器的非線性及溫漂對測量精度影響不大。及溫漂對測量精度影響不大。 該油量表在傾斜狀態時可以使用嗎？為什么？油量表在傾斜狀態時可以使用嗎？為什么？ 該油量表可用于飛該油量表可用于飛機油箱機油箱2008-10-3 24 五、電容式接近開關 被檢測物體可以是導電體、介質損耗較大的絕緣被檢測物體可以是導電體、介質損耗較大的絕緣體、含水的物體（例

22、如飼料、人體等）體、含水的物體（例如飼料、人體等） ；可以是接地的，；可以是接地的，也可以是不接地的。也可以是不接地的。 調節接近開關尾部的靈敏度調節電調節接近開關尾部的靈敏度調節電位器，可以根據被測物不同來改變動作距離。位器，可以根據被測物不同來改變動作距離。 齊平式齊平式非齊平式非齊平式 2008-10-3 25 電容式接近開關在液位測量控制中的使用2008-10-3 26 電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示2008-10-3 27 第四節 壓力和流量的測量 一、壓力的基本概念一、壓力的基本概念 物理學中的物理學中的“壓強壓強”在檢測領域和工業中稱為在檢測領域和工業中稱為“壓力壓力”

23、. 壓力分類：壓力分類： （1）絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器 它所測得的壓力數值是相對于密封在絕它所測得的壓力數值是相對于密封在絕對壓力傳感器內部的基準真空而言的。當絕對壓力小于對壓力傳感器內部的基準真空而言的。當絕對壓力小于101kPa時，可以認為是時，可以認為是“負壓負壓”，所測得壓力相當于真空度。，所測得壓力相當于真空度。 （2）差壓傳感器差壓傳感器 差壓是指兩個壓力差壓是指兩個壓力p1和和p2之差，又稱為壓力之差，又稱為壓力差。當差壓表兩側面均向大氣敞開時，差壓等于零。差。當差壓表兩側面均向大氣敞開時，差壓等于零。 （3）表壓傳感器表壓傳感器 表壓傳感器常稱為壓力傳感器。它以環境大表壓

24、傳感器常稱為壓力傳感器。它以環境大氣壓為參考基準，將差壓傳感器的一側向大氣敞開，就形成表氣壓為參考基準，將差壓傳感器的一側向大氣敞開，就形成表壓傳感器。壓傳感器。 2008-10-3 28 二、電容式差壓變送器 l差動電容式差壓變送器結構的核心部差動電容式差壓變送器結構的核心部分是一個變極距差動式電容傳感器。分是一個變極距差動式電容傳感器。 1高壓側進氣口高壓側進氣口 2低壓側進氣口低壓側進氣口 3過濾片過濾片 4空腔空腔 5柔性不銹鋼柔性不銹鋼波波 紋隔離膜片紋隔離膜片 6導壓硅油導壓硅油 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9彈性平膜片彈性平膜片 10 腔腔當被測壓力

25、當被測壓力p1、p2由兩側的內螺紋壓力由兩側的內螺紋壓力接頭進入各自的空腔，該壓力通過不銹接頭進入各自的空腔，該壓力通過不銹鋼波紋隔離膜和導壓硅油，傳導到鋼波紋隔離膜和導壓硅油，傳導到“腔腔”。彈性平膜片由于受到來自兩側的壓。彈性平膜片由于受到來自兩側的壓力之差，而凸向壓力小的一側。在力之差，而凸向壓力小的一側。在腔中，腔中，彈性膜片與兩側的鍍金定極之間的距離彈性膜片與兩側的鍍金定極之間的距離很小（約很小（約0.5mm左右），所以微小的位左右），所以微小的位移（不大于移（不大于0.1mm）就可以使電容量變）就可以使電容量變化化100pF以上。測量轉換電路（相敏檢以上。測量轉換電路（相敏檢波器）

26、將此電容量的變化轉換成波器）將此電容量的變化轉換成420mA的標準電流信號，通過信號電纜的標準電流信號，通過信號電纜線輸出到二次儀表。線輸出到二次儀表。2008-10-3 29 各種電容式差壓變送器外形 2008-10-3 30 三、利用電容差壓變送器測量液體的液位 差壓變送器差壓變送器 電容差壓變送器的高壓側（電容差壓變送器的高壓側（p1）進氣孔及低壓側）進氣孔及低壓側（p2）進氣孔通過管道與儲液罐相連，就組成差壓式液位）進氣孔通過管道與儲液罐相連，就組成差壓式液位計計p1=p0+g (h -h 0） p2=p0則： p = p1-p2= g (h-h0）投入式水位計投入式水位計2008-1

27、0-3 31 四、流量的基本概念 流量的定義流量的定義： 流體在單位時間內通過某一截面的體積數或質量數，分流體在單位時間內通過某一截面的體積數或質量數，分別稱為體積流量別稱為體積流量qV和質量流量和質量流量qm。這種單位時間內的流量統。這種單位時間內的流量統稱為瞬時流量稱為瞬時流量q。 把瞬時流量對時間把瞬時流量對時間t進行積分，求出累計體積或累計質量進行積分，求出累計體積或累計質量的總和，稱為累積流量，也叫總量。的總和，稱為累積流量，也叫總量。 流速法測量流量流速法測量流量：流速：流速v越快，瞬時流量越大；管道的截面越快，瞬時流量越大；管道的截面積越大，瞬時流量也越大。采用測量流速積越大，瞬