斯蒂芬傳感器及應用1

任務1：車速檢測中的壓力檢測任務2：電子秤的壓力檢測任務3：管道內液體的壓力檢測任務4：物聯網中的壓力檢測-知識拓展項目六、物聯網中的壓力檢測傳感器及應用1

任務3：管道內液體的壓力檢測電容式傳感器的介紹一、各種電容式傳感器示例電容式傳感器的介紹一、各種電容式傳感器示例智能工業中的溫度檢測一、各種電容式傳感器示例測量管道液位與壓力傳感器智能工業中的溫度檢測

電容式傳感器是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結構簡單，體積小，動態響應好，靈敏度高，分辨率高，能實現非接觸測量等特點，因而被廣泛應用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領域。智能工業中的溫度檢測特點：（1）小功率、高阻抗。（2）小的靜電引力和良好的動態特性。（3）本身發熱影響小。（4）可進行非接觸測量。二、電容式傳感器特點應用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。智能工業中的溫度檢測電容式傳感器由敏感元件和轉換元件為一體的電容量可變的電容器和測量電路組成，其變量間的轉換關系原理如圖所示。由物理學可知，當忽略電容器邊緣效應時，對圖示平行極板電容器，電容量為+ S

r d

_ 智能工業中的溫度檢測

可見：在S、d、ε三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。也就是說，如果被檢測參數(如位移、壓力、液位等)的變化引起S、d、ε三個參量中之一發生變化，就可利用相應的電容量的改變實現參數測量。據此，電容式傳感器可分為以下三大類：(1)極距變化型電容傳感器；(2)面積變化型電容傳感器；(3)介質變化型電容傳感器；智能工業中的溫度檢測設初始電容為：當間隙d0減小Δd時,則電容量增大ΔC，則：電容的相對變化為：1、變極距型電容式傳感器智能工業中的溫度檢測1、變極距型電容式傳感器當時，將上式按泰勒級數展開，得：可見，電容C的相對變化與位移之間呈現的是一種非線性關系。在誤差允許范圍內通過略去高次項得到其近似的線性關系：電容傳感器的靜態靈敏度為如果只考慮二次非線性項，忽略其它高次項，則得非線性誤差：由以上分析可知：變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時，才有近似的線性輸出。

Cdd0ΔdΔdΔC1ΔC2{{ΔC1>ΔC2如圖，極距變化相同值±△d所對應的電容變化量不同非線性隨極板間距的減小而增大1、變極距型電容式傳感器智能工業中的溫度檢測為了提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件如電源電壓、環境溫度變化的影響，常采用差動式的電容傳感器，其原理結構如圖所示。

工作時差動電容器總電容變化為：

當時，將上式按泰勒級數展開，得：1、變極距型電容式傳感器智能工業中的溫度檢測略去非線性高次項，得：變極距差動電容式傳感器的靈敏度K′為

變極距差動電容傳感器的非線性誤差′L近似為

可見，電容式傳感器做成差動式結構后，非線性誤差大大降低了，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。與此同時，差動式電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并有效的改善由于環境影響所造成的誤差。智能工業中的溫度檢測2、變面積型電容式傳感器智能工業中的溫度檢測2、變面積型電容式傳感器智能工業中的溫度檢測當動極板移動后,極板相對有效面積發生變化，對應的電容值為：靈敏度：靈敏度為常數智能工業中的溫度檢測變面積型電容傳感器中，平板形結構對極距變化特別敏感，測量精度受到影響,而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結構。其電容計算式為：

當重疊長度x變化時，電容量變化為：靈敏度為：可見，其輸出與輸入成線性關系，靈敏度是常數，但與極板變化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測量范圍更大。智能工業中的溫度檢測（2）用于角位移測量的電容式傳感器當動片有一角位移

時，兩極板間的覆蓋面積就改變，從而改變了電容量。

當轉動角時，

當

=0時，靈敏度：角位移式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度K為常數。智能工業中的溫度檢測

電容式液位傳感器結構原理圖與等效電路電容式液位傳感器圖示同軸圓柱形電容器的初始電容為:測量時，電容器的介質一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。設C1為液體有效高度hx形成的電容，C2為空氣高度（h-hx）形成的電容，則：3、變介質型電容式傳感器智能工業中的溫度檢測可見，電容C理論上與液面高度hx成線性關系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位高度。另一種測量介質介電常數變化的電容式傳感器結構如圖。設電容器極板面積為S，間隙為a，當有一厚度為d，相對介電常數為

r的固體介質通過極板間隙，相當于電容串聯，因此電容器的電容值為：

智能工業中的溫度檢測由于C1和C2為并聯，所以總電容為:其中，

，為靈敏度因子，隨間隙比d/(a-d)增大為非線性因子，隨間隙比d/(a-d)增大而減小。而增大；智能工業中的溫度檢測（2）若傳感器保持

r不變，改變介質厚度，則可用于測量介質厚度變化，此時其中，，為靈敏度因子和非線性因子。

智能工業中的溫度檢測（3）若被測介質充滿兩極板間，則d=a，此時初始電容為，則，,即若可見，與

r成線性關系。測量液體介質介電常數的變化即屬此情況，如測原油含水率。智能工業中的溫度檢測三、電容式傳感器的優缺點(1)溫度穩定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質損耗很小，因此只要從強度、溫度系數等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發熱極小)影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發熱產生零漂。1.電容式傳感器的優點(2)結構簡單，適應性強電容式傳感器結構簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環境條件下工作，適應能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現某些特殊要求的測量。智能工業中的溫度檢測

（3）靜電引力小電容傳感器兩極板間存在著靜電場，因此極板上作用著靜電引力或靜電力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數、極間距離有關。一般說來，這種靜電引力是很小的，因此只有對推動力很小的彈性敏感元件，才須考慮因靜電引力造成的測量誤差。(4)動態響應好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，如測量振動、瞬時壓力等。智能工業中的溫度檢測

(5)可以實現非接觸測量、具有平均效應當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。電容式傳感器除上述優點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001μm甚至更小的位移。智能工業中的溫度檢測

(1)輸出阻抗高，負載能力差電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達106～108Ω。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩定現象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩定。智能工業中的溫度檢測2.電容式傳感器的缺點

(3)輸出特性非線性變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結構來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成電路的高速發展，使電容式傳感器的優點得到發揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態、低壓及一些特殊測量方面大有發展前途的傳感器。