传感器及检测技术33

2023/9/21第3章电容传感器

本章学习电容传感器的原理及应用，还涉及压力、液位及流量的测量方法。2023/9/22简介电容式传感器是将被测非电量（如尺寸、压力等）的变化转换为电容量变化的一种传感器。

压差变送器

接近开关

三轴加速度传感器

物位开关

2023/9/23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2023/9/24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。

电容传感器的基本理想公式为2023/9/25变面积型电容传感器

平面形直线位移式圆柱形直线位移式角位移式2023/9/26一、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。2023/9/27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！2023/9/28二、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。2023/9/29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d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？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

2023/9/210三、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。表5-1几种介质的相对介电常数2023/9/211变介电常数式电容传感器的用途

根据表5-1，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大？可以用于测量什么非电量？2023/9/212第二节电容式传感器的测量转换电路2023/9/213测量转换电路-电桥

Cx为电容传感器，没有变化时，输出电压U0=0。Cx变化时，U0≠0，由此可测得电容的变化值。相邻的两臂接入差动式电容传感器。空载时的输出电压为

2023/9/2142023/9/2152023/9/2162023/9/2172023/9/218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。

式中哪些量是变量？2023/9/219调频式测量转换电路

当输入量导致传感器的电容量发生变化时，振荡器的振荡频率也相应地变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频式。在实现了电容到频率的转换后，再用鉴频器把频率的变化转换为幅度的变化，经放大后输出，进行显示和纪录

2023/9/220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？

TTL高电平3.6-5V,低电平0-2.4V2023/9/221运算放大器式测量转换电路

输出电压如果传感器为平板形电容器，则

此电路能解决变极距型电容式传感器的非线性问题

2023/9/2222023/9/2232023/9/224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。

2023/9/2252023/9/226电容式压差传感器

1-硅油2-隔离膜3-焊接密封圈4-测量膜片（动电极）5-固定电极

结构

外形

应用测量液位

2023/9/2272023/9/228二、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。2023/9/229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%2023/9/230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）2023/9/231

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C1、C2。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。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。

当它感受到上下振动时，C1、C2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ΔC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1kHz以上，允许加速度范围可达10g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器，就可以测量三维方向的振动或加速度。2023/9/232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2023/9/233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。2023/9/234汽车气囊对驾驶员的保护作用2023/9/2353.应用

-电容式测厚仪

在被测带材的上下两侧各装设一块面积相等且与带材距离相等的极板，这样两极板与带材之间形成两个电容C1、C2。

1-带材

2-轧辊

3-工作电极

带材在轧制过程中若发生厚度变化，将引起电容的变化，再调频测量电路将电容的变化检测出来，经过单片机处理，即可由显示面板显示出带材厚度的变化。

2023/9/2362023/9/2372023/9/238一、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2023/9/239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。2023/9/240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2023/9/241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2023/9/242四、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。2023/9/243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？2023/9/244

电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示2023/9/245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2023/9/246电容式湿度传感器以铝棒和能渗透水的黄金膜为极板，极板间充以氧化铝微孔介质。多孔氧化铝可