第4章 電容傳感器

1、第第4章章 電容式傳感器電容式傳感器 v4.1電容式傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)形式 v4.2 電容傳感器的測(cè)量電路電容傳感器的測(cè)量電路 v4.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 v小小 結(jié)結(jié) 第四章電容傳感器原理動(dòng)畫第四章電容傳感器原理動(dòng)畫 我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。打開一只老式收音機(jī)后我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。打開一只老式收音機(jī)后 蓋，可以看到一只蓋，可以看到一只“可變電容器可變電容器”。增加該電容。增加該電容 器器“動(dòng)片動(dòng)片”的旋出角度，收音機(jī)的諧振頻率就逐的旋出角度，收音機(jī)的諧振頻率就逐 漸升高，所接收到的電臺(tái)頻率也逐漸升高。漸升高，所接收到的電臺(tái)頻率也逐漸升高。

2、結(jié)論：這個(gè)電容器的電容量與兩個(gè)極板的有效結(jié)論：這個(gè)電容器的電容量與兩個(gè)極板的有效 投影面積成正比。投影面積成正比。 指紋識(shí)別傳感器 圖為IBM ThinkpadT4 2/T43 的指紋識(shí) 別傳感器 3 電容式指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)別傳感器 v指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳 感器，也被稱為第二代指紋識(shí)別系 統(tǒng)。 v下圖為指紋經(jīng)過(guò)處理后的成像圖： 4 5 v指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有 數(shù)萬(wàn)個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕數(shù)萬(wàn)個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕 緣的表面緣的表面 6 v當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體

3、陣列/ /絕絕 緣物緣物/ /皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它 們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與 金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。 7 4.1電容式傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu) 形式形式 v4.1.1電容傳感器的工作原理電容傳感器的工作原理 v4.1.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式 第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以 做成哪幾種類型的電容傳感器？做成哪幾種類型的電

4、容傳感器？ 0 r AA C dd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為 第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 改變改變A A、d d、 三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，三個(gè)參量中的任意一個(gè)量， 均可使平板電容的電容量均可使平板電容的電容量C C 改變。改變。 固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類 型的電容傳感器。型的電容傳感器。 0 r AA C dd 從電工知識(shí)可知，電容傳感器的電容量從電工知識(shí)可知，電容傳感器的電容量C與兩極板與兩極板 相互遮蓋的有效面積相互遮蓋的有效面積A以及兩極板之間的介質(zhì)相對(duì)介以及兩極板之間的介質(zhì)相對(duì)

5、介 電常數(shù)電常數(shù)r成正比，與兩極板間的距離成正比，與兩極板間的距離d（常稱為極距）（常稱為極距） 成反比。成反比。 回回 顧顧 一一 下下 4.1.2 電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式 v1. 變極距型電容傳感器 v2. 變面積型傳感器 v3. 變介電常數(shù)型傳感器 v由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，如果在電容器 兩極板間插入不同介質(zhì)，電容器的電容量就會(huì)不同， 利用這種原理制作的電容傳感器稱為變介電常數(shù)型 電容傳感器，常被用來(lái)測(cè)量液體的液位和材料的厚 度。 一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器 圖圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移

6、動(dòng)，可以左右移動(dòng)， 稱為動(dòng)極板。極板稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。圖固定不動(dòng)，稱為定極板。圖b b是同心圓筒形是同心圓筒形 變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒 內(nèi)作上、下內(nèi)作上、下 直線運(yùn)動(dòng)。圖直線運(yùn)動(dòng)。圖c c是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2 2的軸由被測(cè)物體的軸由被測(cè)物體 帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移 度時(shí)，兩極板的遮蓋面積度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A A就減小，就減小， 因而電容量也隨之減小。因而電容量也隨之減小。 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器(詳細(xì)分析詳細(xì)分析) 改變極板間覆蓋面積的電

7、容式傳感器，常用的有改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器，常用的有角位移角位移 型型和和線位移型線位移型兩種。兩種。 圖為典型的角位移型電容式傳感器圖為典型的角位移型電容式傳感器 當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化， 因而導(dǎo)致電容量變化。因而導(dǎo)致電容量變化。 + + + 14 v當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為a、極板半徑為、極板半徑為r時(shí)，覆時(shí)，覆 蓋面積為蓋面積為 s=ar2/2，電容量為，電容量為 ： 2 2 0ar c r 常數(shù) 2 2 0r da dC d r 15 其靈敏度為：其靈敏度為： v線位移

8、型電容 式傳感器 平面線位移型 和圓柱線位移 型兩種。 16 v對(duì)于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為對(duì)于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b的動(dòng)板的動(dòng)板 沿箭頭沿箭頭x方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之 變化變化 v電容量為：電容量為： 17 b b a a x x 0 .() . b axb CCx 0 b CCCx 其靈敏度為其靈敏度為 ： 0 () CCb k xa v對(duì)于圓柱線位移型電容式傳感器，對(duì)于圓柱線位移型電容式傳感器， 當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí)，電容量也變化時(shí)，電容量也 隨之變化隨之變化 v其電容為：其電容為： )/ln( 2 2

9、1rr x C v式中：式中：xx外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長(zhǎng)外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長(zhǎng) 度；度； vr1r1、r2r2外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒（或外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒（或 內(nèi)圓柱）外半徑，即它們的工作半徑內(nèi)圓柱）外半徑，即它們的工作半徑 v其靈敏度為：其靈敏度為： 常數(shù) )/ln( 2 21 rrdx dC k 18 線位移線位移 角位移角位移 單組式單組式 差動(dòng)式差動(dòng)式 )ln( 2 12 rr l C l l C rr l rr ll rr l C 0 2 1212 )ln( 2 )ln( )(2 )(ln 2 1 平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感

10、，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié) 構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)。構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)。 可見變面積式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)?？梢娮兠娣e式電容傳感器輸出是線性的，靈敏度為一常數(shù)。 增大初始電容增大初始電容C0可以提高傳感器的靈敏度；可以提高傳感器的靈敏度； 極板寬度極板寬度a的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電的大小不影響靈敏度，但不能太小，否則邊緣電 場(chǎng)影響增大，非線性將增大；場(chǎng)影響增大，非線性將增大； X變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)使傳感器特性產(chǎn)生非線 性變化。性變化。 （

11、因?yàn)橐陨系耐茖?dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行的）。（因?yàn)橐陨系耐茖?dǎo)是在忽略邊緣效應(yīng)的情況下進(jìn)行的）。 變面積式電容傳感器的特性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變面積式電容傳感器的輸出特 性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一 類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角 位移、尺寸等參量。位移、尺寸等參量。 二、變極距式電容傳感器二、變極距式電容傳感器 當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位 移時(shí)，改變了兩極板之間的距離移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d d，從，從 而使電容量發(fā)生變化。而使電容量發(fā)生變化。 實(shí)際使用時(shí)，總是

12、使初始極距實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量盡量 小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極 距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。 極距式電容傳感器（詳細(xì)解析）極距式電容傳感器（詳細(xì)解析） 極距式電容傳感器 當(dāng)傳感器的當(dāng)傳感器的r r和和A為常為常 數(shù)數(shù), ,初始極距為初始極距為0 0時(shí)時(shí), ,由由 式式(4-1)可知其初始電容可知其初始電容 量量C0 0為為 0 0 0 A c r (4-2) + + + 23 0 為真空介電常數(shù)為真空介電常數(shù) r 為相對(duì)介電常數(shù)為相對(duì)介電常數(shù) 若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值0 0縮小縮

13、小, , 電容量增大電容量增大C, , 則有則有 0 0 0 0 001 0 0 00 0 0 0 0 0 01 )1 ( )( CCCCC C AAA CCC rrr 24 0 1 C C 由前式可知由前式可知, , 傳感器的輸出特性傳感器的輸出特性C = f ( () )不不 是線性關(guān)系是線性關(guān)系, ,而是雙曲線關(guān)系而是雙曲線關(guān)系 變極距型電容式傳感器只有在變極距型電容式傳感器只有在 / / 0 0很小很小 時(shí)時(shí), , 才有近似的線性才有近似的線性輸出輸出 25 時(shí)，展開為級(jí)數(shù)形式時(shí)，展開為級(jí)數(shù)形式 23 0 1 C C 1 因因，忽略高次項(xiàng)，忽略高次項(xiàng) 0 C C 1 上式表明，在上式表

14、明，在 條件下，電容的變化與極板條件下，電容的變化與極板 間距變化量近似是線性關(guān)系。間距變化量近似是線性關(guān)系。 變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特性曲線 a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系）電容量與極板距離的關(guān)系 1定極板定極板 2動(dòng)極板動(dòng)極板 觀察圖觀察圖5-4b所示的變極距式電容傳感器特性曲線，所示的變極距式電容傳感器特性曲線， 變極距式電容傳感器的特性是什么曲線？當(dāng)初始安裝變極距式電容傳感器的特性是什么曲線？當(dāng)初始安裝 距離距離d0較小時(shí)所引起的電容變化量較小時(shí)所引起的電容變化量C1，與，與d0較大時(shí)較大時(shí) 的的C2比較，靈敏度哪個(gè)高？對(duì)行程有何影響？

15、比較，靈敏度哪個(gè)高？對(duì)行程有何影響？ 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙，但受電容器擊穿電壓的，但受電容器擊穿電壓的 限制限制. .為此為此, , 極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜 等）作介質(zhì)；等）作介質(zhì)； 非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一定的線性度，非線性隨相對(duì)位移的增加而增加，為保證一定的線性度， 應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。應(yīng)限制動(dòng)極板的相對(duì)位移量。 為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。 0.02 0.1 C1C1 C2C2 動(dòng)極板上移 動(dòng)極板上移 ，則，則C1C1增大，增大， C2C2減小，初

16、始電容用減小，初始電容用C0C0來(lái)表示，來(lái)表示， 則則 ： 23 10 1 ddd CC ddd 23 20 1CC 差動(dòng)電容器輸出：差動(dòng)電容器輸出： 3 120 22CCCC 忽略高次項(xiàng)：忽略高次項(xiàng)： 0 2 C C 靈敏度提高一倍， 靈敏度提高一倍， 非線性誤差減小。非線性誤差減小。 三、變介電常數(shù)式三、變介電常數(shù)式 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩 極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。 幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感

17、器(詳細(xì)分析詳細(xì)分析) 31 （主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等）（主要測(cè)量厚度、液位、介值的溫度和濕度等） x x h h 2r2r 2R2R 類型類型1 1： 被測(cè)液體的液面在電容式傳被測(cè)液體的液面在電容式傳 感器元件的兩同心圓柱型電極間感器元件的兩同心圓柱型電極間 變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù) 的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改 變。變。 1 1液體介質(zhì)介電常數(shù)；液體介質(zhì)介電常數(shù)； 0 0空氣中介電常數(shù)（空氣中介電常數(shù)（F/mF/m）；）； h h電極板總長(zhǎng)度（電極板總長(zhǎng)度（m m）；）； r r內(nèi)電極板外徑（內(nèi)電極板外徑（m m）

18、；）； R R外電極板內(nèi)徑（外電極板內(nèi)徑（m m）；）； x x液面高度（液面高度（m m）。）。 可見，輸出電容 可見，輸出電容C C與液面高度與液面高度 x x 成成 線性關(guān)系。線性關(guān)系。 010 22() lnln hx C RR rr 液面高度液面高度 0 0 1 1 類型類型2 2： d d 面積面積S S 氣隙氣隙 0r 當(dāng)某種介質(zhì)在兩固當(dāng)某種介質(zhì)在兩固 定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容 輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的輸出與介質(zhì)參數(shù)之間的 關(guān)系為：關(guān)系為： 0 r S C d d d d 運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度（m m） 可見：可見： 若厚度若厚度 d d 保持不變，介電常數(shù)

19、保持不變，介電常數(shù)r r 改變（如濕度變改變（如濕度變 化），可做成濕度傳感器；化），可做成濕度傳感器； 若若rr不變，可做成測(cè)厚傳感器不變，可做成測(cè)厚傳感器 變介電常數(shù)式電容傳感器的用途思考變介電常數(shù)式電容傳感器的用途思考 根據(jù)上根據(jù)上表，分析表，分析不同介質(zhì)對(duì)變介不同介質(zhì)對(duì)變介 電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極電常數(shù)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(shí)，哪一板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一 種情況下的電容量變大？可用于測(cè)量種情況下的電容量變大？可用于測(cè)量 什么非電量？什么非電量？ 1、差動(dòng)式變極距式電容傳感器的靈敏度是 變極距式傳感器的_倍. A、2 B、3 C、4 D、

20、5 0 000 0 d bll CCC r 0 00 d lb C r F10854. 8 0.01m 0.02m0.01mF/m105F/m10 8.854 18 5-12 C m/F10854. 8 m01. 0 F10854. 8 16 18 l C S 解：根據(jù)式 可得出 將已知條件代入到上式中， 例一：已知變面積型電容傳感器的兩極板間距離為10mm， =50Fm，兩極板幾何尺寸一樣，為 30mm20mm5mm，在外力作用下，其中動(dòng)極板在原位 置上向外移動(dòng)了10mm，試求 C=? S=? 2 0 0 0 0 d A d C d C S r m/F10723. 7 m109 102514

21、. 3F/m1F/m10 8.854 7 28- 6-12 S d C S F10446.15m102m/F10723. 7 13-67 dSC pF/mV100 C V Sc mV46.154V 154.46 5770 解：因?yàn)?，所以 又因?yàn)?，所?而測(cè)量電路的靈敏度，所以 讀數(shù)儀表的指示值變化格數(shù)=格。 例二：一個(gè)圓形平板電容式傳感器，其極板半徑為5mm，工 作初始間隙為0.3mm，空氣介質(zhì)，所采用的測(cè)量電路的靈敏 度為100 ，讀數(shù)儀表靈敏度為5格/mV。如果工作時(shí)傳感器的 間隙產(chǎn)生2m的變化量，則讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？ 4.2 電容傳感器的測(cè)量電路電容傳感器的測(cè)量電路 v4.2

22、.1 橋式電路橋式電路 v4.2.2 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 v4.2.3 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 4.2.1 橋式電路橋式電路 v電橋輸出電壓為 22)()( )()( 2 000 00 21 21 0 U C CU CCCC CCCCU CC CC U xx xx 4.2.2 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 v調(diào)頻電路是將電容式傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分， 或作為晶體振蕩器中的石英晶體的負(fù)載電容，其原理如圖4- 8所示。當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，被測(cè)量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化， 使振蕩器的頻率發(fā)生相應(yīng)的改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了C/F的變換， 故稱為調(diào)頻電路。調(diào)頻振蕩器的頻率由下式?jīng)Q定 調(diào)頻電路將電容式傳感器

23、作為調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC LC 振蕩器諧振振蕩器諧振 回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx 發(fā)發(fā) 生變化，就使振蕩器的頻率生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 0 1 5-2 2 f L C 調(diào)頻（調(diào)頻（FM）電路）電路 4.2.3差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放 電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而 變化。其基本出發(fā)點(diǎn)是構(gòu)成一個(gè)頻率穩(wěn)定的方波變化。其基本出發(fā)點(diǎn)是構(gòu)成一個(gè)頻率穩(wěn)定的方波 發(fā)生器，以電

24、容變化來(lái)調(diào)節(jié)占空比，由此引起平發(fā)生器，以電容變化來(lái)調(diào)節(jié)占空比，由此引起平 均直流分量的變化。均直流分量的變化。 雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器觸發(fā)器 R2R2 A1A1 A2A2 VD1VD1 R1R1 uABuAB C2C2 C1C1 Q Q Q Q A A G G B B F F U UR R 比較器比較器 循循 環(huán)環(huán) 工工 作作 VD2VD2 U0平均值為零平均值為零U0平均值不為零平均值不為零 r uu u CRT 1 1 111 ln r uu u CRT 1 1 222 ln 設(shè)設(shè)R R1 1=R =R2 2 與電容差值成正比與電容差值成正比 1 21 21 0 u CC CC u 第三節(jié)第

25、三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容器的容量受三個(gè)因素影響，電容器的容量受三個(gè)因素影響， 即：極距即：極距x、相對(duì)面積、相對(duì)面積A 和極間介電常和極間介電常 數(shù)數(shù) 。固定其中兩個(gè)變。固定其中兩個(gè)變 量，電容量量，電容量C 就就 是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦 法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、 介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電 容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的 目的。目的。 4.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 v4.3.1 電容式壓力傳感器電

26、容式壓力傳感器 v4.3.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 v4.3.3 電容式料位計(jì)電容式料位計(jì) v4.3.4 電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀 v4.3.5 電容式油量表電容式油量表 v4.3.6 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器 v4.3.7 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 4.3.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 v 圖圖4.10 差動(dòng)式電容差壓傳感器差動(dòng)式電容差壓傳感器 v1：彈性平膜片（動(dòng)極）； 2：凹玻璃圓片； 3：金屬鍍層（定極）； 4： 低壓側(cè)進(jìn)氣孔；5：輸出端子；6：空腔；7：過(guò)濾器；8：殼體：9高 壓側(cè)進(jìn)氣孔 v 圖圖4.11 電容式進(jìn)氣壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容式進(jìn)氣壓力傳

27、感器結(jié)構(gòu)示意圖 v1：氧化鋁膜片；2：進(jìn)氣歧管；3、6：電極引線；4：厚膜電極；5-絕 緣介質(zhì) 4.3.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 v 圖圖4.13 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 v 1：絕緣體；：絕緣體；2：固定電極；：固定電極；3：質(zhì)量塊；：質(zhì)量塊； 4彈簧片彈簧片 加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)， 微處理器微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰據(jù)此判斷發(fā)生了碰 撞，于是就啟動(dòng)撞，于是就啟動(dòng) 轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，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

28、部和頭部。托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝有傳感 器的假人器的假人 氣囊氣囊 汽車氣囊的保護(hù)作用汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰 撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用 4.3.3 電容式料位計(jì)電容式料位計(jì) v電容式料位計(jì)是利用介質(zhì)料位變化對(duì)電容介電常數(shù)的影響這一原理制成 的。利用電容傳感器可以對(duì)密封倉(cāng)內(nèi)導(dǎo)電性不良的松散物質(zhì)的料位進(jìn)行 檢測(cè)，并能進(jìn)行自動(dòng)控制。檢測(cè)料位時(shí)，可以用顯示燈來(lái)監(jiān)視料位的情 況，如到達(dá)上限時(shí)應(yīng)停料，到達(dá)下限時(shí)應(yīng)加料等。 一、電

29、容式液位計(jì)一、電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）棒狀電極（金屬管） 外面包裹聚四氟乙烯套外面包裹聚四氟乙烯套 管，當(dāng)被測(cè)液體的液面管，當(dāng)被測(cè)液體的液面 上升時(shí)，引起棒狀電極上升時(shí)，引起棒狀電極 與導(dǎo)電液體之間的電容與導(dǎo)電液體之間的電容 變大。變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液液位限位傳感器與液 位變送器的區(qū)別在于：它位變送器的區(qū)別在于：它 不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是給出 開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定 值時(shí)，它輸出低電平。但值時(shí)，它輸出低電平。但 也可以選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平 的型號(hào)。的型

30、號(hào)。 液位限位傳感器的液位限位傳感器的 設(shè)定設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè) 定方法十分簡(jiǎn)單：定方法十分簡(jiǎn)單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，用手指壓住設(shè)定按鈕， 當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開 按鈕，智能儀器就記住該設(shè)按鈕，智能儀器就記住該設(shè) 定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高 于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信 號(hào)和控制信號(hào)。號(hào)和控制信號(hào)。 設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕 智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕 超限燈超限燈 正常工作正常工作 指示燈指示燈 設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕 電源電源 指示燈指示燈 4.3.4 電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀

31、v電容測(cè)厚儀主要用于測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度，其 工作原理如圖所示。 4.3.5 電容式油量表電容式油量表 機(jī)械式油量表：機(jī)械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝在油箱內(nèi)，裝 有類似衛(wèi)生間水箱有類似衛(wèi)生間水箱 里的浮球，通過(guò)杠里的浮球，通過(guò)杠 桿帶動(dòng)電阻絲式圓桿帶動(dòng)電阻絲式圓 盤電位器，由電流盤電位器，由電流 表指示出油量。表指示出油量。 電容式油量表電容式油量表 當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m處。處。 當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失減小，電橋失 去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指

32、針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同 時(shí)帶動(dòng)時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)?shù)幕瑒?dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá) 到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（ x 處）。處）。 上頁(yè)所示的油量表在傾斜狀態(tài)時(shí)可以使上頁(yè)所示的油量表在傾斜狀態(tài)時(shí)可以使 用嗎？為什么？用嗎？為什么？ 該油該油 量表可量表可 用于飛用于飛 機(jī)油箱機(jī)油箱 4.3.6 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器 v電容式濕度傳感器主要用來(lái)測(cè)量環(huán)境的相對(duì)濕度。傳感器的感濕元件是 高分子薄膜式濕敏電容，

33、其結(jié)構(gòu)如圖所示。它的兩個(gè)上電極是梳狀金屬 電極，下電極是一多孔透氣性金屬電極，上下電極間是親水性高分子介 質(zhì)膜，兩個(gè)梳狀上電極、高分子薄膜和下電極構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的電容。當(dāng) 環(huán)境相對(duì)濕度改變時(shí)，高分子薄膜通過(guò)網(wǎng)狀下電極吸收或放出水分，使 高分子薄膜的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量改變。 三、濕敏電容三、濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作利用具有很大吸濕性的絕緣材料作 為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上 多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕 性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電 極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加