第第3章章电容式传感器电容式传感器 3.1电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构3.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4电容式接近开关电容式接近开关 传感技术与信号处理传感技术与信号处理 第第 3 3章章电容式传感器优秀优秀课件学习本课程所需的预备知识。学习本课程所需的预备知识。 电路基础、电子测量技术、电子线路。教教学学提提要要（重重难难点点）、课课程程内内容容、教教学学要要求求、实实验指导。验指导。电容传感器的工作原理以及测量电路是本章的重点，其中测量电路中的脉冲调制电路是难点。从电容器的电容量与其相关的参数入手，逐一介绍了变隙型、变面积型以及变介电常数型的原理、结构。在测量电路中重点介绍了脉冲宽度调制电路。最后，介绍电容传感器的应用。 电容式传感器优秀优秀课件电容式传感器是将机械位移量转换为电容量变化的传电容式传感器是将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。其结构简单、高分辨力、可感器称为电容式传感器。其结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。发展前途的传感器。 电容式传感器优秀优秀课件 由由绝绝缘缘介介质质分分开开的的两两个个平平行行金金属属板板组组成成的的平平板板电电容容器器, 如果不考虑边缘效应如果不考虑边缘效应, 其电容量为其电容量为式式中中: 电电容容极极板板间间介介质质的的介介电电常常数数, =0r, 其其中中0为为真真空空介介电常数电常数, r为极板间介质相对介电常数为极板间介质相对介电常数; A两平行板所覆盖的面积两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。 若被测量的变化使式中若被测量的变化使式中若被测量的变化使式中若被测量的变化使式中 、A A、 r 三个参量中任意一个发生变化时，都三个参量中任意一个发生变化时，都三个参量中任意一个发生变化时，都三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。3.1电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构+A 广东技术师范学院广东技术师范学院 传感技术与信号处理传感技术与信号处理 第第 3 3章章电容式传感器优秀优秀课件 1.电容式传感器电容式传感器分类分类 a) a) 极距变化型极距变化型; ;+c) c) 介质变化型介质变化型b)b)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .+电容式传感器优秀优秀课件2.变极距式电容传感器变极距式电容传感器图图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量此，只要测出电容量的变化量C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量移量d。变极距电容传感器的初始电容变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即可由下式表达，即 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有 电容式传感器优秀优秀课件 在式（在式（3-3）中，若）中，若d/d01时，时，1-(d/d0)21，则式，则式 （3-4） 此此时时C与与d近近似似呈呈线线性性关关系系，所所以以变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器只只有在有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。很小时，才有近似的线性关系。 广东技术师范学院广东技术师范学院 传感技术与信号处理传感技术与信号处理 第第 3 3章章电容式传感器优秀优秀课件 另另外外, 由由式式（3 - 4）可可以以看看出出, 在在d0较较小小时时, 对对于于同同样样的的d变变化化所所引引起起的的C可可以以增增大大, 从从而而使使传传感感器器灵灵敏敏度度提提高高。但但d0过过小小, 容容易易引引起起电电容容器器击击穿穿或或短短路路。为为此此, 极极板板间间可可采采用用高高介介电电常常数数的的材材料料（云母、塑料膜等）作介质（云母、塑料膜等）作介质(如图如图 3- 3所示所示), 此时电容此时电容C变为变为 （ 3 - 5） 式中式中: g云母的相对介电常数云母的相对介电常数, g= 7; 0空气的介电常数空气的介电常数, 0= 1; d0空气隙厚度空气隙厚度; dg云母片的厚度。云母片的厚度。 电容式传感器优秀优秀课件 云云母母片片的的相相对对介介电电常常数数是是空空气气的的7倍倍，其其击击穿穿电电压压不不小小于于1000 kV/mm，而而空空气气仅仅为为3 kV/mm。因因此此有有了了云云母母片片，极极板板间间起起始始距距离离可可大大大大减减小小。同同时时，式式（3-5）中中的的dg/0g项项是是恒恒定定值值，它它能能使使传传感感器器的的输输出出特特性性的线性度得到改善。的线性度得到改善。 电容式传感器优秀优秀课件为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。图为差动变极距式电容传感器的示意图。它有三个极动形式。图为差动变极距式电容传感器的示意图。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则，则C1=C2=Co，如果活动，如果活动极板向右移动极板向右移动d,则则d1=do-d,d2=do+d,即其中一个电容量即其中一个电容量增大，另一个相应减小，这样可以消除侧量误差而且灵敏度也增大，另一个相应减小，这样可以消除侧量误差而且灵敏度也提高了一倍。提高了一倍。 电容式传感器优秀优秀课件3.变极板面积型电容式传感器变极板面积型电容式传感器被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从改变，从而得到电容的变化。图是一个角位移式传感器的结构而得到电容的变化。图是一个角位移式传感器的结构,设两极板设两极板完全遮盖时，遮盖角度完全遮盖时，遮盖角度o=，初始电容，初始电容C。=Aod。，极板。，极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面度时，两极板的遮盖面积积A就减小就减小,因而电容量也随之减小因而电容量也随之减小.此传感器的灵敏度为此传感器的灵敏度为 电容式传感器优秀优秀课件电容传感器的容量与投影电容传感器的容量与投影面积的关系演示面积的关系演示 电容式传感器优秀优秀课件在实际使用中，可增加动极板和定极板的对数，使多片同在实际使用中，可增加动极板和定极板的对数，使多片同轴动极板在等间隔排列的定极板间隙中转动，以提高灵敏轴动极板在等间隔排列的定极板间隙中转动，以提高灵敏度。由于动极板与轴连接，所以一般动极板接地，但必须度。由于动极板与轴连接，所以一般动极板接地，但必须制作一个接地的金属屏蔽盒，将定极板屏蔽起来。制作一个接地的金属屏蔽盒，将定极板屏蔽起来。由上式可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，由上式可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。变面积式电容传感器还可以做成其它形式。灵敏度是常数。变面积式电容传感器还可以做成其它形式。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。 电容式传感器优秀优秀课件4.变介质型电容传感器变介质型电容传感器 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，利用这种原理制作的电容传感器介质时，电容器的电容量也就不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器称为变介电常数式电容传感器.此类传感器可以用来测量纸张、绝缘薄此类传感器可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、气体、液体、木材或煤等膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、气体、液体、木材或煤等非导电固体物质的湿度。非导电固体物质的湿度。图是变介电常数式电容传感器的原理图。当某种介质处于两极板间时，图是变介电常数式电容传感器的原理图。当某种介质处于两极板间时，电容量与介质参数之间的关系为电容量与介质参数之间的关系为式中式中C1空气介质引起的等效电容；空气介质引起的等效电容；C2被测介质引起的等效电容；被测介质引起的等效电容；介质的厚度；介质的厚度；d极距；极距；r介质的相对介电常数，介质的相对介电常数，r=/o 电容式传感器优秀优秀课件由上式可知，当介质厚度由上式可知，当介质厚度保持不变，而相对介电常数保持不变，而相对介电常数r改变，改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气如空气湿度变化，介质吸入潮气(r水水1)时，电容量将发生较时，电容量将发生较大的变化。因此该电容器可作为相对介电常数大的变化。因此该电容器可作为相对介电常数r的测试仪器，如的测试仪器，如空气相对湿度传感器。反之，若空气相对湿度传感器。反之，若r不变，则可作为检测介质厚度不变，则可作为检测介质厚度的传感器。的传感器。变介电常数型传感器常被用来测量液体的液位和材料的厚度。 电容式传感器优秀优秀课件几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数 介质名称介质名称相对介电常数相对介电常数介质名称介质名称相对介电常数相对介电常数r真空真空空气空气其他气体其他气体电容器油电容器油硅油硅油聚丙烯聚丙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯1略大于略大于11122423522224262035玻璃釉玻璃釉Si02云母云母干的纸干的纸干的谷物干的谷物环氧树脂环氧树脂高频陶瓷高频陶瓷低频陶瓷、压电陶瓷低频陶瓷、压电陶瓷纯净的水纯净的水35385824353101016010001000080电容式传感器优秀优秀课件5.电容式传感器的特点电容式传感器的特点1).优点：优点：.温度稳定性好温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等，易发热产而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。生零漂。.结构简单结构简单电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。低压差，也能对带磁工作进行测量。.动态响应好动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个105N），需要的），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。它可用于测量高速变化的参数。 电容式传感器优秀优秀课件2).缺点缺点.输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般几十微法到几百皮法，电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般几十微法到几百皮法，其值只有几个皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交其值只有几个皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达流电源时，输出阻抗高达108106。因此传感器的负载能力很差，易受外。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作十分稳定。且寄生电容影响大，不易保证工作十分稳定。.寄生电容影响大寄生电容影响大电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（12m导线可达导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板于其周）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板于其周围导体构成的电容等所谓围导体构成的电容等所谓“寄生电容寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。 电容式传感器优秀优秀课件6.电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图所示。 图图中中考考虑虑了了电电容容器器的的损损耗耗和和电电感感效效应应，Rp为为并并联联损损耗耗电电阻阻，它它代代表表极极板板间间的的泄泄漏漏电电阻阻和和介介质质损损耗耗。这这些些损损耗耗在在低低频频时时影影响响较较大大，随随着着工工作作频频率率增增高高，容容抗抗减减小小，其其影影响响就就减减弱弱。Rs代代表表串串联联损损耗耗，即即代代表表引引线线电电阻阻、电电容容器器支支架架和和极极板板电电阻阻的的损损耗耗。电电感感L由由电电容容器器本本身身的的电电感感和和外外部部引引线线电电感感组组成成。传传感感元元件件的的有有效效电电容容Ce可可由由下下式式求得求得电容式传感器优秀优秀课件3.2电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 电电容容式式传传感感器器中中电电容容值值以以及及电电容容变变化化值值都都十十分分微微小小, 这这样样微微小小的的电电容容量量还还不不能能直直接接为为目目前前的的显显示示仪仪表表所所显显示示, 也也很很难难为为记记录录仪仪所所接接受受, 不不便便于于传传输输。这这就就必必须须借借助助于于测测量量电电路路检检出出这这一一微微小小电电容容增增量量, 并并将将其其转转换换成成与与其其成成单单值值函函数数关关系系的的电电压压、电电流流或或者者频频率率。电电容容转转换换电电路路有有调调频频电电路路、运运算算放放大大器器式式电电路路、二二极极管管双双T型型交交流流电电桥桥、脉脉冲冲宽宽度度调调制电路等。制电路等。 广东技术师范学院广东技术师范学院 传感技术与信号处理传感技术与信号处理 第第 3 3章章电容式传感器优秀优秀课件 一一.调频电路调频电路 调调频频测测量量电电路路把把电电容容式式传传感感器器作作为为振振荡荡器器谐谐振振回回路路的的一一部部分分, 当当输输入入量量导导致致电电容容量量发发生生变变化化时时，振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率就就发发生生变变化化。虽虽然然可可将将频频率率作作为为测测量量系系统统的的输输出出量量，用用以以判判断断被被测测非非电电量量的的大大小小，但但此此时时系系统统是是非非线线性性的的，不不易易校校正正，因因此此必必须须加加入入鉴鉴频频器器，将将频频率率的的变变化化转转换换为为电电压压振振幅幅的的变变化化，经经过过放放大大就就可可以以用用仪仪器指示或记录仪记录下来。器指示或记录仪记录下来。电容式传感器优秀优秀课件 当电容传感器工作时，被测量导致电容量发生变化，使振荡器的频率发生相应的改变，这样就实现了C/F的变换，故称为调频电路。调调频频式式测测量量电电路路原原理理框框图图如如图图所所示示。图图中中调调频频振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率为为式中：式中： L振荡回路的电感；振荡回路的电感； C振振荡荡回回路路的的总总电电容容，C=C1+C2+Cx，其其中中C1为为振振荡荡回回路路固固有有电电容容, C2为为传传感感器器引引线线分分布布电电容容, Cx=C0C为为传传感感器器的的电电容。容。 调频式测量电路原理框图 (3-29) 电容式传感器优秀优秀课件 当当被被测测信信号号为为0时时，C=0，则则C=C1+C2+C0，所所以以振振荡荡器器有有一一个个固有频率固有频率f0, 其表示式为其表示式为 (3-30) 当被测信号不为当被测信号不为0时，时，C0， 振荡器频率有相应变化，振荡器频率有相应变化， 此此时频率为时频率为 (3-31) 调调频频电电容容传传感感器器测测量量电电路路具具有有较较高高的的灵灵敏敏度度， 可可以以测测量量高高至至0.01m级级位位移移变变化化量量。信信号号的的输输出出频频率率易易于于用用数数字字仪仪器器测测量量， 并并与与计计算算机机通通讯讯，抗抗干干扰扰能能力力强强， 可可以以发发送送、 接接收收， 以以达达到到遥遥测遥控的目的。测遥控的目的。 电容式传感器优秀优秀课件 二二 .运算放大器式电路运算放大器式电路 由由于于运运算算放放大大器器的的放放大大倍倍数数非非常常大大，而而且且输输入入阻阻抗抗Zi很很高高, 运运算算放放大大器器的的这这一一特特点点可可以以作作为为电电容容式式传传感感器器的的比比较较理理想想的的测测量量电电路路。图图是是运运算算放放大大器器式式电电路路原原理理图图, 图图中中Cx为为电电容容式式传传感感器器电电容容；Ui是是交交流流电电源源电电压压; Uo是是输输出出信信号号电电压压; 是是虚虚地地点点。 由由运运算算放放大大器工作原理可得器工作原理可得 .(3-32) 如果传感器是一只平板电容，则如果传感器是一只平板电容，则Cx=S/d，代入式，代入式(3-32)，可得，可得 (3-33) 电容式传感器优秀优秀课件 式式中中“-”号号表表示示输输出出电电压压Uo的的相相位位与与电电源源电电压压反反相相。式式（3-33）说说明明运运算算放放大大器器的的输输出出电电压压与与极极板板间间距距离离d成成线线性性关关系系。 运运算算放放大大器器式式电电路路虽虽解解决决了了单单个个变变极极板板间间距距离离式式电电容容传传感感器器的的非非线线性性问问题题，但但要要求求Zi及及放放大大倍倍数数足足够够大大。为为保保证证仪仪器器精精度度， 还要求电源电压还要求电源电压Ui的幅值和固定电容的幅值和固定电容C值稳定。值稳定。 .电容式传感器优秀优秀课件三三.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路(PWM)是利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的占空是利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器得到对应于被测量变比随电容传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。化的直流信号。图为一种差动脉冲宽度调制电路。当接通电源后，若触发器图为一种差动脉冲宽度调制电路。当接通电源后，若触发器Q端为高电平端为高电平(U1)，端为低电平端为低电平(0)，则触发器通过，则触发器通过R1对对C1充电；当充电；当F点电位点电位UF升到与参升到与参考电压考电压Ur相等时，比较器相等时，比较器IC1产生一脉冲使触发器翻转，从而使产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电端为低电平，平，端为高电平端为高电平(U1)。此时，由电容。此时，由电容C1通过二极管通过二极管D1迅速放电至零，而触发迅速放电至零，而触发器由器由端经端经R2向向C2充电；当充电；当G点电位点电位UG与参考电压与参考电压Ur相等时，比较器相等时，比较器IC2输输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。 电容式传感器优秀优秀课件可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。当调制。当C1=C2时，各点的电压波形如图时，各点的电压波形如图(a)所示，所示，Q和和两端电平的脉冲宽两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，各点的电压波形如图时，各点的电压波形如图(b)所所示，示，Q、两端间的平均电压两端间的平均电压(经一低通滤波器经一低通滤波器)为为式中：式中：T1和和T2分别为分别为Q端和端和端输出方波脉冲的宽度，亦即端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和和C2的充电的充电时间。时间。 电容式传感器优秀优秀课件四、四、桥式电路桥式电路电桥输出电压为电容式传感器优秀优秀课件3.3电容式传感器应用举例电容式传感器应用举例电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距d、相、相对面积对面积A和极间介电常数和极间介电常数。固定其中两个变量，。固定其中两个变量，电容量电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办就是另一个变量的一元函数。只要想办法使被测非电量转换成极距或者面积、介电常法使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。来达到非电量电测的目的。 广东技术师范学院广东技术师范学院 传感技术与信号处理传感技术与信号处理 第第 3 3章章电容式传感器优秀优秀课件1.电容测厚仪电容测厚仪电容测厚仪可以用来测量金属带材在轧制过程中的厚度，电容测厚仪可以用来测量金属带材在轧制过程中的厚度，其工作原理如图所示。其工作原理如图所示。P52 电容式传感器优秀优秀课件2.电容加速度传感器电容加速度传感器 图为加速度传感器、以微细加工技术为基础，既能图为加速度传感器、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。其工作电压为度。其工作电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测量范围为数个，加速度测量范围为数个g g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比，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于加速度的PWM 脉冲。脉冲。电容式传感器优秀优秀课件电容式加速度传感器的体积小，核心部分只有电容式加速度传感器的体积小，核心部分只有3mm左右，与测量转换电路左右，与测量转换电路一起封装在一起封装在8脚帽型脚帽型TO-5金属封装中或金属封装中或16脚双列直插脚双列直插IC封装中，外形酷似普封装中，外形酷似普通的集成电路。其内部核心部分如图所示。通的集成电路。其内部核心部分如图所示。由于微电子技术的发展，可以由于微电子技术的发展，可以将一块多晶硅加工成多层结构。将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，用表面微加工技在硅衬底上，用表面微加工技术，制造出三个多晶硅电极，术，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容组成差动电容Cl、C2。图中。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。相当于悬臂梁。 电容式传感器优秀优秀课件当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加速度呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，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，所以频率响应可达的质量很轻，所以频率响应可达1kHz1kHz以上，允许加速以上，允许加速度范围可达度范围可达10g 10g 以上以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速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。度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。 电容式传感器优秀优秀课件电容式加速度传感器电容式加速度传感器电容式加速度传感器电容式加速度传感器1：绝缘体；：绝缘体；2：固定电极；：固定电极；3：质量块；：质量块；4弹簧片弹簧片电容式传感器优秀优秀课件 加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊电容式传感器优秀优秀课件 利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现延时起延时起爆的钻地炸弹爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置电容式传感器优秀优秀课件 3、电容式接近开关、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗较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、人体大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）等）；可以是接地的，也可以是不接地的。；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。以根据被测物不同来改变动作距离。 电容式传感器优秀优秀课件 电容式接近开关外形电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式电容式传感器优秀优秀课件 全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）电容式传感器优秀优秀课件 电容式传感器优秀优秀课件（1）.电容式接近开关的结构电容式接近开关的结构电容式接近开关的核心是以单个电容式接近开关的核心是以单个极板作为检测端的电容器，如下图所示，从图中可以看到，检测极板作为检测端的电容器，如下图所示，从图中可以看到，检测极板设置在接近开关的最前端。测量转换电路安装在接近开关壳极板设置在接近开关的最前端。测量转换电路安装在接近开关壳体内，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。体内，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。 电容式传感器优秀优秀课件(2)工作原理工作原理下图是调幅式测量转换电路。它由下图是调幅式测量转换电路。它由LC高高频振荡电路、检波器、直流电压放大器等组成。频振荡电路、检波器、直流电压放大器等组成。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它与电感非常小，它与电感L构成高品质因数构成高品质因数(Q)的的LC振荡电路，振荡电路，Q=1(CR)=L/R。当被检测物体为地电位的导电体当被检测物体为地电位的导电体(例如与大地有很大分例如与大地有很大分布电容的人体、液体等布电容的人体、液体等)时，检侧极板对地电容时，检侧极板对地电容C增大，增大，LC振荡电路的振荡电路的Q值下降，导致振荡器停振。值下降，导致振荡器停振。 电容式传感器优秀优秀课件电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示 电容式传感器优秀优秀课件 电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式传感器优秀优秀课件电容式接近开关电容式接近开关电容式接近开关是根据变极距型电容式传感器原理设计的。它电容式接近开关是根据变极距型电容式传感器原理设计的。它由高频振荡、检波、放大、整形及输出等部分组成。其中装在由高频振荡、检波、放大、整形及输出等部分组成。其中装在传感器主体上的金属板为定板，被测物体上的相对应位置上的传感器主体上的金属板为定板，被测物体上的相对应位置上的金属板相当于动板。工作时，当被测物体位移后接近传感器主金属板相当于动板。工作时，当被测物体位移后接近传感器主体时体时(接近的距离范围可通过理论计算或实验取得接近的距离范围可通过理论计算或实验取得)，由于两者，由于两者之间的距离发生了变化，从而引起传感器电容量的改变，使输之间的距离发生了变化，从而引起传感器电容量的改变，使输出发生变化。此外，开关的作用表面可与大地之间构成一个电出发生变化。此外，开关的作用表面可与大地之间构成一个电容器，参与振荡回路的工作。当被测物体接近开关的作用表面容器，参与振荡回路的工作。当被测物体接近开关的作用表面时，回路的电容量将发生变化，使得高频振荡器的振荡减弱直时，回路的电容量将发生变化，使得高频振荡器的振荡减弱直至停振。振荡器的振荡及停振信号由电路转换成开关信号送给至停振。振荡器的振荡及停振信号由电路转换成开关信号送给后续开关电路中，从而使传感器按预先设置条件发出信号，控后续开关电路中，从而使传感器按预先设置条件发出信号，控制检测机电设备，使其正常工作。制检测机电设备，使其正常工作。 电容式传感器优秀优秀课件3.电容式湿敏传感器电容式湿敏传感器 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加（水的相对介电常数为8080），所以电容量增大。），所以电容量增大。 吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜电容式传感器优秀优秀课件 湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形电容式传感器优秀优秀课件下图是电容式湿度传感器的测量电路。电路中包下图是电容式湿度传感器的测量电路。电路中包括自激振荡器、脉冲宽度调制电路、括自激振荡器、脉冲宽度调制电路、FV变换变换电路和电路和AD转换电路，最终以数字形式显示湿转换电路，最终以数字形式显示湿度值，图中度值，图中CMC，就是湿敏电容。，就是湿敏电容。 电容式传感器优秀优秀课件 湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型电容式传感器优秀优秀课件4.电容式油量表电容式油量表图为电容式油量表的示意图，可以用于测量油箱图为电容式油量表的示意图，可以用于测量油箱中的油位。中的油位。 电容式传感器优秀优秀课件 由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与的阻值与间存在着确定的对应关系，即间存在着确定的对应关系，即正比于正比于RP的阻值，的阻值，而而RP的阻值又正比于液位高度的阻值又正比于液位高度h。因此可直接从刻度盘上读得液。因此可直接从刻度盘上读得液位高度位高度h。当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转(示示值减小值减小)，同时带动，同时带动RP的滑动臂移动，使的滑动臂移动，使RP阻值减小。当阻值减小。当RP阻阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电，于是伺服电动机再次停转，指针停留在特定的转角处。从以上分析可知，该动机再次停转，指针停留在特定的转角处。从以上分析可知，该装置采用了零位式测量方法，所以放大器的非线性及温漂对测量装置采用了零位式测量方法，所以放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。精度影响不大。 电容式传感器优秀优秀课件5、电容式料位计电容式料位计电容式料位计是利用介质料位变化对电容介电常数的影响电容式料位计是利用介质料位变化对电容介电常数的影响这一原理制成的。利用电容传感器可以对密封仓内导电性这一原理制成的。利用电容传感器可以对密封仓内导电性不良的松散物质的料位进行检测，并能进行自动控制。检不良的松散物质的料位进行检测，并能进行自动控制。检测料位时，可以用显示灯来监视料位的情况，如到达上限测料位时，可以用显示灯来监视料位的情况，如到达上限时应停料，到达下限时应加料等。时应停料，到达下限时应加料等。电容式传感器优秀优秀课件6、电容式压力传感器电容式压力传感器差动式电容差压传感器差动式电容差压传感器1：弹性平膜片（动极）；：弹性平膜片（动极）；2：凹玻璃圆片；：凹玻璃圆片；3：金属镀层（定极）；：金属镀层（定极）；4：低压侧进气孔；：低压侧进气孔；5：输出端子；：输出端子；6：空腔；：空腔；7：过滤器；：过滤器；8：壳体：壳体：9高压侧进气孔高压侧进气孔电容式传感器优秀优秀课件7、电容式气体浓度仪电容式气体浓度仪测气体浓度的检测系统图测气体浓度的检测系统图1：红外灯丝；2：同步电动机；3：调制片；4：工作室；5：滤波室；6：电容器膜片；7：检测器；8：记录仪；9：测量和放大电路；10：电容器固定极；11-参比滤波室电容式传感器优秀优秀课件 作业1.电容式传感器有哪三大类？电容式传感器有哪三大类？2.电容式传感器的测量电路主要有哪几种电容式传感器的测量电路主要有哪几种?各自的特点是什么各自的特点是什么?3.例举几种电容式传感器应用电路。例举几种电容式传感器应用电路。4.在两片间隙为在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入的两块平行极板的间隙中插入_，可测得最大的，可测得最大的电容量。电容量。A.塑料薄膜塑料薄膜B干的纸干的纸C湿的纸湿的纸D玻璃薄片玻璃薄片5.电子卡尺的分辨率可达电子卡尺的分辨率可达0.01mm，行程可达，行程可达200mm它的内部所采用的电容它的内部所采用的电容传感器型式是传感器型式是A.变极距式变极距式B变面积式变面积式c变介电常数式变介电常数式6.在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中，A电容和电感均为变量电容和电感均为变量B.电容是变量，电感保持不变电容是变量，电感保持不变c电容保持常数，电感为变量电容保持常数，电感为变量D电容和电感均保持不变电容和电感均保持不变7.利用湿敏电容可以测量利用湿敏电容可以测量。A.空气的绝对湿度空气的绝对湿度B空气的相对湿度空气的相对湿度c.空气的温度空气的温度D纸张的含水量纸张的含水量8.电容式接近开关对电容式接近开关对的灵敏度最高。的灵敏度最高。A.玻璃玻璃B.塑料塑料c纸纸D.鸡饲料鸡饲料9.试用电容式传感器设计一个应用电路，并简述其工作原理。试用电容式传感器设计一个应用电路，并简述其工作原理。 电容式传感器优秀优秀课件小小结结本章主要介绍了电容式传感器工作原理、测量转换电路以及在实际检测中的应用。当各种被测量通过敏感元件使电容式传感器的两极板的极距、遮盖面积或两极板间介质的介电常数发生变化时，电容量就要随之变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出，从而反映出被测量的大小。电容式传感器由于具有精度高、零漂小、结构简单、功耗小、动态响应快、灵敏度高等优点，广泛应用于位移、振动、角度、加速度、压力、压差、液位、料位等物理量的测量。它的非接触测量特点，使它在自动生产和自动控制方面有较好的应用前途。电容式传感器优秀优秀课件