HEFEI UNIVERSITY电容式传感器的应用与发展系别电子信息与电气工程系专业自动化班级12级自动化卓越班姓 名刘安睿劼汪峰 丁玉梦学号1205031205031205031035老师储忠成 绩电容式传感器的应用与发展摘 要：电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感 器。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量， 而且还逐步地扩大，应用于压力、位移、液位、料面、成分含量等方面的 检测。由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为 变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测 量角位移或较大的线位移。 变间隙式 一般用来测量微小的线位移或由于 力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种 介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、 动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等一系列优点，因 此占有很重要的地位。 文中主要介绍了电容式传感器的工作原理 ,应用及发 展趋势。关键词： 电容式传感器应用 发展目录一、电容式传感器的工作原理 1二电容式传感器的应用行业 2三电容式传感器的基本方法 31. 普通交流电桥 32. 变压式电桥 43. 双 T 电桥电路 44. 运算放大器式测量电路 45. 脉冲调制电路 56. 调频电路 5四电容式传感器在具体工程中的应用 51. 电容式位移传感器 52. 电容式转速传感器 63. 电容式加速度传感器 64. 电容式液位传感器 65. 电容式湿度传感器 76. 电容式测厚仪 7五电容式传感器的发展趋势 71. 智能化 72. 微型化 8六、参考文献 8电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 , 如果不考虑边 缘效应 , 其电容量为图 1.1 平行板电容器式中：电容极板间介质的介电常数 = 0 r,其中 0为真空介电 常数; r极板间介质相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积；d 为两平行板之间的距离。当被测参数变化使得上式中的A, d或发生变化时，电容量C也随之 变化。如果保持其中两个参数不变 , 而仅改变其中一个参数 , 就可把该参 数的变化转换为电容量的变化 , 通过测量电路就可转换为电量输出。在实际使用时，电容式传感器常以改变改变平行板间距 d来进行测量， 因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。当动极板移动Ax后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，下图为 直线位移型电容式传感器的示意图，其为变面积式的一种。电容：电容增量：AC二C - C = Ax测量灵敏度：K = ACAxdAx图1.2直线位移型此外，改变板间距d或者电介质便是变间隙式和变介电常数式电容图 1.4 变间介电传感器结构形式，结构形式如下图所示，隙式 常数式二电容式传感器的应用行业1 .电容式传感器的应用十分广泛，包括各种冷热轧带钢、钢板、铝板、铝箔、铜 板、铜箔、转炉内衬、木材、食品、精密器件，各类橡胶片、橡胶膜、橡胶轮胎、塑 料板材、布等透明及非透明柔性板材的厚度在线测量监控。2. 电容式传感器可用来测量直线位移、 角位移、振动振幅（测至0.05 p m的微小振幅），尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来 测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、 测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信 号发生器。3. 电容式传感器在农业上的应用在农业生产中，长期以来，粮食水分检测一直 依靠手搓、嘴咬、眼观为主要的判别方法，人为影响很大。但是国家在粮食收购过程 中开始推行收购统一化、标准化，其中就包括粮食水分检测的标准化，因此设计一套 粮食水分快速检测仪是十分必要的。在设计中采用电容式传感器作为测量器件。该传 感器是根据变介质型电容式传感器设计的。被测粮食放入电容式传感器两极板间时， 由于粮食的含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电 容值变化。在电容式传感器一端施加一个正弦高频激励信号，则在其输出端必然产生 一个衰减响应，而且，激励与响应信号是同频的，只是相位发生了平移，通过测量相 角即可求得电容与电导的比值， 从而测出粮食的含水量。 由于所测的粮食为颗粒形状， 其装入容器中存在许多气隙，因而其介电常数较小，但其传感器的极板有效面积不能 太小，因此本系统的电容式传感器采用同轴的圆筒型电容式传感器。4. 电容式传感器在工业上的应用饮料包装中产品净含量是否达标是产品质量的 一个重要指标。虽然在饮料灌注机上使用精确流量计来满足定量灌装的要求,但灌注机长期高速运行会导致灌注机件磨损或喷管堵塞 ,从而造成灌注的实际值和设定值有 偏差 ;有些含气饮料刚灌注好时会有大量泡沫存在 ,如果瓶盖没盖严 ,饮料将会溢出 ,从 而导致饮料实际含量偏低。所以 ,在实际生产中 ,饮料灌装好后要用液位检测仪实时检 测瓶子的液位。为了能够快速精确地检测液位 ,需要设计出一套测量精度高、速度快、 造价低、维护容易的液位检测设备 ,而且这个设备对被测对象没有过多要求 ,对人体没 有伤害,电容式液位检测装置可以满足上述要求。三电容式传感器的基本方法用于电容式传感器的测量电路很多，常见的电路有1. 普通交流电桥电桥输出电压经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压大小与位移成线性关系， 其正负极性反映位移的方向。2. 变压式电桥对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。3. 双 T 电桥电路二极管双 T 型交流电桥又称为二极管 T 型网络，如图所示。 e 是高频电源，它提 供幅值为 Ui 的对称方波， VD1 、VD2 为特性完全相同的两个二极管， R1=R2 ，C1 C2 为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时， C1 = C2 。输出电压 U0 不仅与电源电压的幅值和频率有关，而且与 T 型网络中的电容 C1 和 C2 的差值有关。当电源电压确定后，输出电压 U0 是电容 C1 和 C2 的函数。4. 运算放大器式测量电路运算放大器的输出电压与极板间距离 d 线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。5. 脉冲调制电路输出电压与电容变化成线性关系6. 调频电路躍 频器f扌TTL电平去计算帆调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以测至0.01 “ m级位移变化量。信号输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收以实 现遥测遥控。四电容式传感器在具体工程中的应用电容式传感器的具体应用很广泛，常见的有1. 电容式位移传感器2. 电容式转速传感器设齿数为Z,由计数器得到的频率 为右则转速卫(r/min)为：n = 60f/Z3. 电容式加速度传感器装有传感器的假人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。4. 电容式液位传感器棒状电极(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。5. 电容式湿度传感器湿敏电容外形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。6. 电容式测厚仪C1=交换振荡器KI/O显示记录MHtC2-交换1振荡器振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量，消除非线性频率变换产生的误差，即可获得板材厚度。五电容式传感器的发展趋势1. 智能化随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓 智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、 处理等功能紧密 结合在一起。传感器作为太阳能热水器电子控制系统中的感觉器官，承载系统的信息源，采集 来自储水箱里的水温、水量等信息，在太阳能热水器的多功化和智能化方面具有举足 轻重的地位。然而，传感技术在太阳能热水器的应用由于受到恶劣使用环境的影响，一直很难 保证长期可靠地运行，一批批专业人士虽然制作了多种形式的传感器，但是都没能从 根本上解决品质问题，直到现在就连一年以上的使用寿命都还很难保保障.传感技术的落后，已成为影响行业发展的最大瓶颈。 对此我们认为， 只有找准问题的症结所在， 科学分析，逐一整理，做到有的放矢，选择合适的传感技术，才能达到事半功倍的效 果，制造出符合设计要求的理想产品。采用电容传感器是解决传感器技术难题的必由之路。 电容传感技术投入应用已长 达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，特别 适用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2 ，氨水， PVC 粉料，灰料，油水界面等液态位测量。目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。2. 微型化为了能够与信息时代信息量激增、 要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发 展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越 来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传 感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要 求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料 构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。六、参考文献1.丁英丽 。本溪冶金高等专科学校自控系 传感器技术 2003 年第 22 卷第4 期2王斌黄晓东秦明黄庆安。东南大学MEMS教育部重点实验室、一种用于测量饮料包装中液位的电容式传感器、传感技术学报、第22 卷 第1 期2009 年1 月3. 张白莉。电容式传感器的应用和发展 （忻州师范学院）4. 赵静 颜德田。上海交通大学精密工程及智能微系统研究所,上海200030 利用电容 式传感器测量液位的研究5. 张勃 屈保中. 1漯河职业技术学院计算机系，河南漯河2 河南工业职业技术学院河 南南阳. 传感器技术电容式湿度传感器设计6. 王阳1 陈军宁2。 1安徽大学电子科学与技术学院, 2.浙江万里学院电子信息学院。传感技术学报集成电容式传感器的理论模型研究 第21 卷第12 期2008 年12 月7. 中国工控展览网。 传感器的发展前景8. 郭银景 康景利 杨阳 唐富 微变电容式传感器的设计与应用9. 与非网。电容式传感器太阳能热水器测控技术发展的必然趋势10张祖魁。电容式传感器在自动化生产设备上的应用11.中国传感器网 www.sensor.com.