第五章電容傳感器

本章學習電容傳感器的原理及應用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。2023/7/71第一節電容式傳感器的工作原理及結構形式

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？

電容傳感器的基本理想公式為2023/7/72第一節電容式傳感器的工作原理及結構形式

改變A、d、三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。

電容傳感器的基本理想公式為2023/7/73一、變面積式電容傳感器

圖a是平板形直線位移式結構，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結構。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。2023/7/74變面積式電容傳感器的特性

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！2023/7/75二、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，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發生變化。

實際使用時，總是使初始極距d0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。2023/7/76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d0小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變小？a）

結構示意圖b）電容量與極板距離的關系1—定極板

2—動極板

2023/7/77三、變介電常數式

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。表5-1幾種介質的相對介電常數2023/7/78變介電常數式電容傳感器的用途

根據表5-1，分析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，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？2023/7/79第二節電容式傳感器的測量轉換電路

（調頻電路）

調頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx發生變化，就使振蕩器的頻率f

產生相應的變化。

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？2023/7/710調頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？

2023/7/711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x、相對面積A和極間介電常數

。固定其中兩個變量，電容量C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、介電常數的變化，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。

2023/7/712一、電容式液位計

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套電容式液位限位傳感器

液位限位傳感器與液位變送器的區別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。2023/7/714液位限位傳感器的設定

智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發出報警信號和控制信號。設定按鈕2023/7/715智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈正常工作指示燈設定按鈕電源指示燈2023/7/716二、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2023/7/717微加工三軸加速度傳感器技術指標：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2023/7/718硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）2023/7/719

利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結構。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖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下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。

當它感受到上下振動時，C1、C2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將ΔC轉換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。

如果在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。2023/7/720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。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據此判斷發生了碰撞，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。

裝有傳感器的假人氣囊2023/7/721汽車氣囊的保護作用

使用加速度傳感器可以在汽車發生碰撞時，經控制系統使氣囊迅速充氣。2023/7/722汽車氣囊對駕駛員的保護作用2023/7/723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2023/7/724三、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電常數大為增加（水的相對介電常數為80），所以電容量增大。

2023/7/725濕敏電容外形吸水高分子薄膜2023/7/726濕敏電容模塊及傳感器外形2023/7/727濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型2023/7/728多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

2023/7/729四、電容式油量表

機械式油量表：

在油箱內，裝有類似衛生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2023/7/730電容式油量表

當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉角為m處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減小），同時帶動RP的滑動臂移動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，伺服電動機停轉，指針停留在新的位置（

x處）。

該油量表屬于開環系統還是閉環系統？2023/7/731

上頁所示的油量表在傾斜狀態時可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機油箱2023/7/732五、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體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調節接近開關尾部的靈敏度調節電位器，可以根據被測物不同來改變動作距離。2023/7/733電容式接近開關外形齊平式非齊平式2023/7/734非齊平式接近開關的安裝