電容傳感器(第八章)

1、1第八章第八章 電容傳感器電容傳感器主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 8.18.1電容傳感器原理與類型電容傳感器原理與類型 8.28.2電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 8.38.3電容傳感器測(cè)量電路電容傳感器測(cè)量電路 8.48.4電容傳感器的應(yīng)用舉例電容傳感器的應(yīng)用舉例 2電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器各種電容式傳感器概述概述 348.1 電容傳感器工作原理和類型電容傳感器工作原理和類型 v 電容式傳感器是將被測(cè)非電量變化成電容量的變化，電容式傳感器是將被測(cè)非電量變化成電容量的變化， 電容傳感器工作原理可以用平板電容說明

2、：電容傳感器工作原理可以用平板電容說明： 0rssC 改變式中改變式中 S S 極板面積，稱變面積型傳感器極板面積，稱變面積型傳感器 極板距離，稱變極距型傳感器極板距離，稱變極距型傳感器 介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型傳感器介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型傳感器 真空介電常數(shù)真空介電常數(shù) 相對(duì)介電常數(shù)，相對(duì)介電常數(shù)， 無介質(zhì)時(shí)空氣介質(zhì)無介質(zhì)時(shí)空氣介質(zhì) r r =1=10r567變介質(zhì)型傳感器變介質(zhì)型傳感器88.2 8.2 電容傳感器輸出特性電容傳感器輸出特性 1 1、變極距型（、變極距型（） 0rssC 00sC初始電容初始電容 當(dāng)當(dāng) 減小減小 時(shí)電容時(shí)電容C C增加增加 00CCC C0 C CC9電容相對(duì)變化電

3、容相對(duì)變化 000ssCCC0001CC當(dāng)當(dāng) 時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開 01 =23000001()()CC 忽略高次項(xiàng)忽略高次項(xiàng)001CCv 傳感器靈敏度傳感器靈敏度001CCK1000 11由分析可以看出，在由分析可以看出，在 較小時(shí)，對(duì)于同樣的較小時(shí)，對(duì)于同樣的 變化變化所引起的所引起的C C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但 過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì)塑料膜等）作介質(zhì), , 放置云母片的電容器放置云

4、母片的電容器012000ggSC此時(shí)電容此時(shí)電容C C變?yōu)樽優(yōu)?式中：式中：g云母的相對(duì)介電常數(shù)，云母的相對(duì)介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，空氣的介電常數(shù)，0=1； 0空氣隙厚度；空氣隙厚度； g云母片的厚度。云母片的厚度。 云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7 7倍，其擊穿電壓不小于倍，其擊穿電壓不小于1000 1000 kV/mmkV/mm，而空氣僅為，而空氣僅為3 kV/mm3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)，式中的離可大大減小。同時(shí)，式中的g g/ /0 0g g項(xiàng)是恒定值，項(xiàng)是恒定值， 它能使它能使

5、傳感器的輸出特性的線性度得到改善。傳感器的輸出特性的線性度得到改善。 13差動(dòng)式結(jié)構(gòu)差動(dòng)式結(jié)構(gòu) 上靜片上靜片下靜片下靜片動(dòng)片動(dòng)片電容的總的變化量電容的總的變化量2120000021()CCCCCC 231000001()()CC 232000001()()CC 14002CC 傳感器（差動(dòng)式）靈敏度傳感器（差動(dòng)式）靈敏度 相對(duì)非線性誤差為相對(duì)非線性誤差為 0012CCK20()100%L結(jié)論：結(jié)論： 差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍；差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍； 非線性誤差減?。ǘ喑朔蔷€性誤差減?。ǘ喑?因子）。因子）。 0/15 2 2、 變面積型（變面積型（S S）

6、平板電容：當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)平板電容：當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)X X后兩極板間電容量為：后兩極板間電容量為：000()b axbxCCxCCa 初始電容初始電容:0a bC電容的相對(duì)變化量電容的相對(duì)變化量: : 0CxCa v 平板變面積型電容傳感器靈敏度平板變面積型電容傳感器靈敏度CbKX結(jié)論：結(jié)論： 變面積式電容傳感器靈敏度變面積式電容傳感器靈敏度K為常數(shù)；為常數(shù)； 輸出特性為線性；輸出特性為線性； 適合大位移測(cè)量。適合大位移測(cè)量。16 3 3、變介電常數(shù)式（、變介電常數(shù)式（） 當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí)， 電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：

7、0rsCddd 動(dòng)片動(dòng)片變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況：變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況： 測(cè)介電常數(shù)測(cè)介電常數(shù) （糧倉(cāng)、木材濕度）（糧倉(cāng)、木材濕度） 測(cè)介質(zhì)厚度測(cè)介質(zhì)厚度 d(d(紙張、薄膜厚度）紙張、薄膜厚度）r17 d d為介質(zhì)的厚度，為介質(zhì)的厚度，d d、S S保持不變，保持不變， 改變改變 ，可作為介電常數(shù)的測(cè)試儀器。，可作為介電常數(shù)的測(cè)試儀器。 0r 0()rrsCdd 介電常數(shù)介電常數(shù) 保持不變，保持不變，S S和和一定，一定， 改變介質(zhì)厚度改變介質(zhì)厚度 d d，可作為測(cè)厚儀器。，可作為測(cè)厚儀器。r18電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖02ln(/ )HCD

8、d19設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1 1，液面高度為，液面高度為h h, , 變換器總變換器總高度為高度為H H，內(nèi)筒外徑為，內(nèi)筒外徑為d d，外筒內(nèi)徑為，外筒內(nèi)徑為D D，此時(shí)變換器電，此時(shí)變換器電容值為容值為 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011式中：式中：空氣介電常數(shù)；空氣介電常數(shù)； C C0 0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值由變換器的基本尺寸決定的初始電容值, , 即即 dDnHC120由式可見，此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度由式可見，此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h h。 208.3 8.3 測(cè)量電路測(cè)

9、量電路 1.1.電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路 電容式傳感器被當(dāng)作純電容來看待，這在大多數(shù)情電容式傳感器被當(dāng)作純電容來看待，這在大多數(shù)情況下是允許的。但是在高溫、高濕和高頻激勵(lì)條件下，況下是允許的。但是在高溫、高濕和高頻激勵(lì)條件下，則需考慮附加損耗及電感效應(yīng)等因素的影響。則需考慮附加損耗及電感效應(yīng)等因素的影響。C C為傳感器的電容，為傳感器的電容，RPRP為并聯(lián)損耗電阻，為并聯(lián)損耗電阻，RSRS為串聯(lián)損為串聯(lián)損耗電阻，耗電阻， L L為電感，為電感，CPCP為寄生電容。為寄生電容。21 并聯(lián)損耗電阻并聯(lián)損耗電阻R RP P代表極板間的泄漏電阻和極板間的代表極板間的泄漏電阻和極板間的介

10、質(zhì)損耗，這些損耗通常在低頻時(shí)的影響較大，隨著介質(zhì)損耗，這些損耗通常在低頻時(shí)的影響較大，隨著頻率的增高，其影響也相應(yīng)減弱直至可以忽略不計(jì)。頻率的增高，其影響也相應(yīng)減弱直至可以忽略不計(jì)。 串聯(lián)損耗電阻串聯(lián)損耗電阻R RS S代表引線電阻，電容器支架和極板代表引線電阻，電容器支架和極板的電阻，只有在工作頻率很高時(shí)，才要加以考慮。的電阻，只有在工作頻率很高時(shí)，才要加以考慮。 電感電感L L是由電容器本身的電感和外部引線的電感所是由電容器本身的電感和外部引線的電感所組成。電容器本身的電感與電容器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，引組成。電容器本身的電感與電容器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，引線電感則與引線長(zhǎng)度有關(guān)，引線越短，電感越小。

11、線電感則與引線長(zhǎng)度有關(guān)，引線越短，電感越小。 寄生電容寄生電容C CP P主要指電纜寄生電容，它與傳感器電容主要指電纜寄生電容，它與傳感器電容C C相并聯(lián)。電容式傳感器一般電容量都很小，屬于小功相并聯(lián)。電容式傳感器一般電容量都很小，屬于小功率、高阻抗器件，極易受外界干擾。寄生電容比電容率、高阻抗器件，極易受外界干擾。寄生電容比電容傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機(jī)性，嚴(yán)重傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機(jī)性，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性。因此消滅寄生電容的影響，影響傳感器的輸出特性。因此消滅寄生電容的影響，是電容式傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。是電容式傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。22v 用金屬屏蔽罩屏蔽電容

12、轉(zhuǎn)換元件，消除靜電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)；用金屬屏蔽罩屏蔽電容轉(zhuǎn)換元件，消除靜電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)； v 前級(jí)緊靠轉(zhuǎn)換元件或裝在同一殼體內(nèi)，避免信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸；前級(jí)緊靠轉(zhuǎn)換元件或裝在同一殼體內(nèi)，避免信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸； v 驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)，驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是一種等電位屏蔽法。驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)，驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是一種等電位屏蔽法。 原理是：原理是：連接電纜采用雙層屏蔽，內(nèi)屏蔽與被屏蔽的導(dǎo)線的連接電纜采用雙層屏蔽，內(nèi)屏蔽與被屏蔽的導(dǎo)線的電位相同。（跟隨器）使傳輸電纜與內(nèi)屏蔽層等電位，屏蔽電位相同。（跟隨器）使傳輸電纜與內(nèi)屏蔽層等電位，屏蔽線上有隨傳感器信號(hào)變化的電壓，所以稱（驅(qū)動(dòng)電纜），從線上有隨傳感器信號(hào)變化的電壓，所以稱（驅(qū)動(dòng)

13、電纜），從而消除芯線對(duì)內(nèi)層屏蔽層的容性漏電從而消除寄生電容的影而消除芯線對(duì)內(nèi)層屏蔽層的容性漏電從而消除寄生電容的影響。內(nèi)外屏蔽之間的電容是響。內(nèi)外屏蔽之間的電容是放大器負(fù)載放大器負(fù)載。這一方法可在。這一方法可在10M10M距離不影響傳感器性能，保證電容距離不影響傳感器性能，保證電容1pF1pF時(shí)也能正常工作?？蓵r(shí)也能正常工作?？商岣唠娙輦鞲衅鞯姆€(wěn)定性。提高電容傳感器的穩(wěn)定性。232.2.電橋電路電橋電路 由電容轉(zhuǎn)換元件組成的變壓器式交流電橋測(cè)量系統(tǒng)。由電容轉(zhuǎn)換元件組成的變壓器式交流電橋測(cè)量系統(tǒng)。 單臂時(shí)，傳感器單臂時(shí)，傳感器C C鄰臂接一個(gè)固定電容鄰臂接一個(gè)固定電容C C0 0與之相匹配；與之

14、相匹配； 差動(dòng)形式傳感器差動(dòng)形式傳感器 是兩個(gè)橋臂是兩個(gè)橋臂 交流電橋的輸出電壓為：交流電橋的輸出電壓為： 12,C C120212ZZEUZZ代入：代入：111Zjc221Zj c120212CCEUCC24極板在中間位置時(shí)極板在中間位置時(shí)1200CCU動(dòng)片上移時(shí)電容變化動(dòng)片上移時(shí)電容變化10sC 20sC v 輸出電壓與輸入位移成理想線性關(guān)系輸出電壓與輸入位移成理想線性關(guān)系002EU253、 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高很高, 運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)運(yùn)算放大

15、器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。圖中量電路。圖中Cx為電容式傳感器電容；為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓是交流電源電壓; Uo是是輸出信號(hào)電壓輸出信號(hào)電壓; 是虛地點(diǎn)。是虛地點(diǎn)。 由運(yùn)算放大器工作原理可得由運(yùn)算放大器工作原理可得 .ixoUCCU26如果傳感器是一只平板電容，則如果傳感器是一只平板電容，則Cx=S/d，可得，可得 dSCUUio 式中式中“-”號(hào)表示輸出電壓號(hào)表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相。式子的相位與電源電壓反相。式子說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 運(yùn)算運(yùn)算放大器式電路雖解決

16、了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線放大器式電路雖解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求性問題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度， 還要還要求電源電壓求電源電壓Ui的幅值和固定電容的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。值穩(wěn)定。 .274、 二極管雙二極管雙T形交流電橋形交流電橋 e是高頻電源，是高頻電源， 它提供了幅值為它提供了幅值為U的對(duì)稱方波，的對(duì)稱方波，VD1、VD2為為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。器的兩個(gè)差動(dòng)電容。 28 當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，當(dāng)

17、傳感器沒有輸入時(shí)，C1=C2。其電路工作原理如下：當(dāng)。其電路工作原理如下：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2截止，于是電容截止，于是電容C1充電，其充電，其等效電路如圖（等效電路如圖（b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電上的電荷通過電阻荷通過電阻R1，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL放電，流過放電，流過RL的電流為的電流為I1。當(dāng)。當(dāng)e為負(fù)為負(fù)半周時(shí)，半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD1截止，則電容截止，則電容C2充電，其等效電路如圖充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)， C2通過電阻通過電阻R2

18、，負(fù)載電阻，負(fù)載電阻RL放電，流過放電，流過RL的電流為的電流為I2 。根據(jù)上面所給的條件，則電流。根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。的平均電流為零。 )()()2(212CCUfRRRRRRULLLo 若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0，則，則C1C2, I1I2, 此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過過RL上的平均電流不為零，上的平均電流不為零， 因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為個(gè)周期內(nèi)平均值為 式中式中, f為電源頻率。為電源頻率。 29)()()2(2常數(shù)MRR

19、RRRRLLL則式子可改寫為則式子可改寫為 )(21CCUfMUo 可知，輸出電壓可知，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸?shù)牟钪涤嘘P(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓出電壓Uo是電容是電容C1和和C2的函數(shù)。該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源的函數(shù)。該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為頻率為1.3 MHz，電源電壓，電源電壓U=46V時(shí)，電容在時(shí)，電容在-77pF變化，可以變化，可以在在1M負(fù)載上得到負(fù)載上得到-55V的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源電壓幅

20、值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。 當(dāng)當(dāng)U幅值較高，幅值較高，使二極管使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關(guān)，而僅與無關(guān)，而僅與R1、 R2及及RL有關(guān)，有關(guān)，約為約為1100k。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1 k的負(fù)載電阻上升時(shí)間為的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20s左右，左右， 故可用來測(cè)量高速的機(jī)械故可用來測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 305、 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)

21、制電路圖脈沖寬度調(diào)制電路圖 31脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形 3221211TTTTUUUUBAo式中：式中： U1觸發(fā)器輸出高電平；觸發(fā)器輸出高電平； T1、T2Cx1、Cx2充電至充電至Ur時(shí)所需時(shí)間。時(shí)所需時(shí)間。 由電路知識(shí)可知由電路知識(shí)可知 rxrxUUUnCRTUUUnCRT222221111111將將T1、T2代入得代入得 12121UCCCCUxxxxo33把平行板電容的公式代入式子，在變極板距離的情況下可得把平行板電容的公式代入式子，在變極板距離的情況下可得 12121UddddUo式中式中, d1、d2分別為分別為Cx1、Cx2極板間距離。極板間距離。 當(dāng)

22、差動(dòng)電容當(dāng)差動(dòng)電容Cx1= Cx2=C0，即，即d1=d2=d0時(shí)，時(shí)，Uo=0；若；若Cx1Cx2， 設(shè)設(shè)Cx1 Cx2 ，即，即d1=d0-d, d2=d0+d, 則有則有 10UddUo34同樣，同樣， 在變面積電容傳感器中，在變面積電容傳感器中， 則有則有 1USSUo 由此可見，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面由此可見，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過積差動(dòng)式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有影響

23、。影響。 356 6調(diào)頻電路調(diào)頻電路調(diào)頻測(cè)量電路把電容傳感器作為振蕩器諧調(diào)頻測(cè)量電路把電容傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入被測(cè)信號(hào)使電容振回路的一部分，當(dāng)輸入被測(cè)信號(hào)使電容發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。 由于系統(tǒng)是非線性的，必須加入鑒頻器將由于系統(tǒng)是非線性的，必須加入鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)化換為電壓的變化。頻率變化轉(zhuǎn)化換為電壓的變化。12fLC 調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度，調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度， 可以測(cè)量高可以測(cè)量高至至0.01m0.01m級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，級(jí)位移變化量。信號(hào)的輸出頻率

24、易于用數(shù)字儀器測(cè)量， 并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)， 可以發(fā)送、可以發(fā)送、 接收，接收， 以達(dá)到以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。遙測(cè)遙控的目的。 368.4 8.4 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，即：極距電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對(duì)面積相對(duì)面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(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 就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要就是另一個(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、介電想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)常數(shù)的

25、變化，就可以通過測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測(cè)的目的。來達(dá)到非電量電測(cè)的目的。 一、電容式液位計(jì)一、電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套38 39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。也

26、值時(shí)，它輸出低電平。也可以選擇輸出為高電平的可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。型號(hào)。40液位限位傳感器液位限位傳感器的設(shè)定的設(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41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

27、源 指示燈指示燈42二、硅微加工加速度傳感器二、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作慣性力或重力加速度。其工作電壓為電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測(cè)，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)量范圍為數(shù)個(gè)g g，可輸出與加，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM 脈脈沖。沖。43硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加速度測(cè)試單元加速度測(cè)試單元 2 2信號(hào)處理

28、電路信號(hào)處理電路 3 3襯底襯底 4 4底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極） 5 5多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極）44 利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié) 構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C C1 1、C C2 2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以相是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以

29、相當(dāng)于懸臂梁。當(dāng)于懸臂梁。 當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C C1 1、C C2 2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將C C 轉(zhuǎn)換成直流輸轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)達(dá)1kHz1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 10g 以上以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)

30、加速度傳感如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。45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 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，得的負(fù)加速度值超過設(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)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，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，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。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

31、人器的假人氣囊氣囊46利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延時(shí)起爆的鉆地炸彈延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置4748三、濕敏電容三、濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容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)面鍍上多孔性電極。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)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的當(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，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)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（水的相對(duì)介電常數(shù)為大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為8080），所以電），所以電容量增大。容量增大。 49濕敏電容濕敏電容

32、外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜50濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形51濕敏電容傳感器的安裝使用濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型帶報(bào)警器的家庭使用型52多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形 53四、電容式油量表四、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，通過杠里的浮球，通過杠桿帶動(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。54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

33、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)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，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?。?，同同時(shí)帶動(dòng)時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)。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）。 該油量該油量表屬于開環(huán)表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？環(huán)系統(tǒng)？5556 上頁(yè)所示的油量表在傾斜狀態(tài)時(shí)可上頁(yè)所示的油量表在傾斜狀態(tài)時(shí)可以使用嗎？為什么？以使用嗎？為什么？ 該油量該油量表可用于表可用于飛機(jī)油箱飛機(jī)油箱57五、電容式接近開關(guān)五、電容式接近開關(guān) 被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗被檢測(cè)物體可