第5章电容传感器

机械工业出版社

中等职业教育电气类规划教材

《自动检测与转换技术》

第五章

多媒体课件

2009－5－1更新2/4/20231在这一章里，卡卡要给大家介绍电容传感器的基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业领域应用较多的压力、液位和流量测量。在测量中，被测物理量通过电容传感器转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压或频率。电容传感器的最大特点是反应快。第五章电容传感器2/4/20232第五章电容传感器原理动画我们先来做一个实验。打开一只老式收音机后盖，可以看到一只“可变电容器”。增加该电容器“动片”的旋出角度，收音机的谐振频率就逐渐升高，所接收到的电台频率也逐渐升高。结论：这个电容器的电容量与两个几班的有效投影面积成正比。2/4/20233第一节电容式传感器的工作原理及结构形式上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？

电容传感器的基本理想公式为2/4/20234第一节电容式传感器的工作原理及结构形式改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。

从电工知识可知，电容传感器的电容量C与两极板相互遮盖的有效面积A以及两极板之间的介质相对介电常数εr成正比，与两极板间的距离d（常称为极距）成反比。回顾一下2/4/20235一、变面积式电容传感器图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b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、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移

度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。2/4/20236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，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。

请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！2/4/20237二、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，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。

实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。2/4/20238变极距式电容传感器的特性曲线

a）

结构示意图b）电容量与极板距离的关系1—定极板2—动极板

观察图5-4b所示的变极距式电容传感器特性曲线，变极距式电容传感器的特性是什么曲线？当初始安装距离d0较小时所引起的电容变化量ΔC1，与d0较大时的ΔC2比较，灵敏度哪个高？对行程有何影响？2/4/20239差动式电容传感器

在第四章里，卡卡给大家介绍过差动电感的特性及优点，大家还记得吗？回顾一下a）差动变极距式b）差动变面积式1－动极板2－定极板差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算机来计算修正。2/4/202310三、变介电常数式

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数2/4/202311变介电常数式电容传感器的用途思考

根据上表，分析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时，哪一种情况下的电容量变大？可用于测量什么非电量？2/4/202312第二节电容式传感器的测量转换电路

（调频电路）调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f

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何区别？式中哪些量是变量？2/4/202313调频（FM）电路TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？

2/4/202314第三节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x、相对面积A和极间介电常数

。固定其中两个变量，电容量C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。

2/4/202315一、电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。

聚四氟乙烯外套2/4/202316电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。2/4/202317液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮2/4/202318智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯2/4/202319二、硅微加工加速度传感器

图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。2/4/202320微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%2/4/202321硅微加工加速度传感器原理

1—加速度测试单元

2—信号处理电路

3—衬底

4—底层多晶硅（下电极）

5—多晶硅悬臂梁

6—顶层多晶硅（上电极）2/4/202322加速度传感器在汽车中的应用当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器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，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。

装有传感器的假人气囊2/4/202323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时，经控制系统使气囊迅速充气。2/4/202324汽车气囊对驾驶员的保护作用2/4/202325利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置2/4/202326三、湿敏电容

利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，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80），所以电容量增大。

2/4/202327湿敏电容外形吸水高分子薄膜2/4/202328湿敏电容模块及传感器外形2/4/202329湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型2/4/202330多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形

2/4/202331四、电容式油量表

机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。2/4/202332电容式油量表当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（

x处）。该油量表属于开环系统还是闭环系统？2/4/202333上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？

该油量表可用于飞机油箱2/4/202334三、电容式接近开关

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、人体等）；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调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。在第四章里，曾介绍过“电感式接近开关”，它能判断金属物体靠近与否。回顾一下2/4/202335电容式接近开关外形齐平式非齐平式2/4/202336非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器端部高于安装支架，易损坏。2/4/202337全密封防水式远距离式（大量程）2/4/202338电容接近开关的规格2/4/202339电容式接近开关在液位测量控制中的使用2/4/202340电容式接近开关在

液位物位测量

控制中的使用对应的光柱显示2/4/202341电容式接近开关在物位测量控制中的使用2/4/202342电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示2/4/202343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2/4/202344第四节压力和流量的测量一、压力的基本概念

压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”（Pa）。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”（bar）和“托”为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。2/4/202345压力单位转换对照表

2/4/202346二、电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置2/4/202347电容式差压变送器内部结构

1—高压侧进气口2—低压侧进气口

3—过滤片

4—空腔5—柔性不锈钢波纹隔离膜片6—导压硅油

7—凹形玻璃圆片8—镀金凹形电极

9—弹性平膜片

10—

腔2/4/202348各种电容式差压变送器外形

2/4/202349各种电容式压力变送器外形（续）（参考丹东长隆自控有限公司资料）法兰2/4/202350各种电容式压力变送器外形（续）2/4/202351三、利用电容差压变送器

测量液体的液位

差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：

p=gh2/4/202352电容差压变送器用于测量液体的液位

投入式水位计2/4/202353四、流量的基本概念体积流量qV=Av，单位为m3/h或L/s；质量流量qm=Av，单位为t/h或kg/s。

例：设测得流速v=10m/s，圆管道的直径r=1m，则截面积A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别称为体积流量qV和质量流量qm。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量q。把瞬时流量对时间t进行累计，求出累计体积或累计质量的总和，称为累积流量，也叫总量。2/4/202354五、流量的测量方法

测量流量的方法很多，有流速法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照国家标准制造的标准节流装置的流量系数计算公式是相当完备的，所以它是一种可靠性和标准化较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。

2/4/202355叶轮式风流速、流量计（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）