第4章 電容傳感器

1、被測量改變介電常數(shù)改變極板面積 S改變極板距離 d變間隙式變 面積式變介電系數(shù)式 電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好且能實(shí)現(xiàn)無接觸測量等優(yōu)點(diǎn)；也存在輸出特性應(yīng)好且能實(shí)現(xiàn)無接觸測量等優(yōu)點(diǎn)；也存在輸出特性的非線性、寄生電容和分布電容對靈敏度、精確度的非線性、寄生電容和分布電容對靈敏度、精確度的影響等缺點(diǎn)。它用于液位、物位、壓力、差壓、的影響等缺點(diǎn)。它用于液位、物位、壓力、差壓、濕度、位移、厚度、振動(dòng)、加速度及荷重等多種參濕度、位移、厚度、振動(dòng)、加速度及荷重等多種參數(shù)的檢測。數(shù)的檢測。 電容傳感器最大的特點(diǎn)是反應(yīng)快。電容傳感器最大的特點(diǎn)是反應(yīng)快。 4

2、.1 電容傳感器的工作電容傳感器的工作原理原理SddSdSCr0（F） 電容傳感器可分為變間隙式、變面積式、變電容傳感器可分為變間隙式、變面積式、變介電常數(shù)式三種類型。介電常數(shù)式三種類型。 4.1.1 改變極板改變極板 間距間距 d的的 電容傳感器電容傳感器dd0 x定極板動(dòng)極板電容極板間距越大，電容值越小電容極板間距越大，電容值越小!極間距離為極間距離為d0的初始電容量為：的初始電容量為：00dSC極板間距變化了極板間距變化了d 后：后：202000001111dddddSdddSddSC0000011ddCCdddSC當(dāng)當(dāng)d d0時(shí)時(shí) 0001ddCCC0001ddCCCC00ddCC所以

3、所以呈線性關(guān)系，靈敏度呈線性關(guān)系，靈敏度01d討論：討論： d0 越小靈敏度越高，但過小容易引起電容擊穿，越小靈敏度越高，但過小容易引起電容擊穿，d0 在在0.10.2mm范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，C0在在20100pF之間；之間； d0 過小，過小，d /d0就不能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于就不能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1 而被忽略，非而被忽略，非線性增大。線性增大。 d0 過大，電容的泄漏增大，靈敏度降低。過大，電容的泄漏增大，靈敏度降低。解決上述問題的方法解決上述問題的方法采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)dd0dd0 xCC1CC2定極板動(dòng)極板 圖中兩個(gè)電容器共用一個(gè)動(dòng)極板，當(dāng)被測參圖中兩個(gè)電容器共用一個(gè)動(dòng)極板，當(dāng)被測參數(shù)的變化使動(dòng)

4、極板產(chǎn)生位移后，數(shù)的變化使動(dòng)極板產(chǎn)生位移后，C1和和C2成差動(dòng)變成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容器的電容量增加，而另一個(gè)化，即其中一個(gè)電容器的電容量增加，而另一個(gè)電容器的電容量則相應(yīng)減少。電容器的電容量則相應(yīng)減少。 當(dāng)當(dāng)0時(shí)：時(shí)：0011CCdSC001CCCC0CC4.1.2 改變極板改變極板面積面積 S 的電容傳感器的電容傳感器動(dòng)極板定極板當(dāng)當(dāng)=0時(shí)：時(shí)： dSC0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性是線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)。這一類傳感器多用于性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。檢測直線位

5、移、角位移、尺寸等參量。 請畫出變面積式電容傳感器的輸出特請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！性曲線！4.1.3 電容傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)電容傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)1 電容式傳感器主要具有如下一些電容式傳感器主要具有如下一些優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： （1）需要的作用能量低。）需要的作用能量低。 （2）可獲得較）可獲得較大的相對變化量。大的相對變化量。 （3）能在惡劣的環(huán)境條件）能在惡劣的環(huán)境條件下工作。下工作。 （4）本身發(fā)熱的影響小。）本身發(fā)熱的影響小。 （5）動(dòng)）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。態(tài)響應(yīng)快。 2電容傳感器也存在以下的電容傳感器也存在以下的缺點(diǎn)缺點(diǎn)： （1）輸出特性的非線性。）輸出特性的非線性。 （2）泄漏電容）泄漏電容

6、的影響。的影響。 （3）易受外界電場的干擾。）易受外界電場的干擾。 4.2 4.2 電容式傳感器電容式傳感器應(yīng)應(yīng) 用用 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、相對面積、相對面積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)。只要想辦法法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化介電常數(shù)的變化，就可以，就可以通過測量電通過測量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的目的。 LHD0Dd內(nèi)電極

7、絕緣套管容器11. 1. 液位液位檢測檢測dDHLdDHC01ln)(2ln2當(dāng)當(dāng)H=0時(shí)為空容器，則有時(shí)為空容器，則有 d/DlnLC0102KHHdDHdDdDCCCxln2/ln2/ln2010電容式液位計(jì)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)被測液體的液面管，當(dāng)被測液體的液面上升時(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，

8、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)。的型號(hào)。液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：定方法十分簡單： 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

9、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2、硅微加工加速度傳感器、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)，既能測量交加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），也可測量變加速度（振動(dòng)），也可測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，可輸出與，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的占空比正比于加速度的PWM 脈沖。脈沖。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加速度測試單

10、元加速度測試單元 2 2信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 3 3襯底襯底 4 4底層多晶硅底層多晶硅（下電極）（下電極） 5 5多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6頂層多晶硅頂層多晶硅（上電極）（上電極） 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)

11、片。其左端固定在襯底上，所以相當(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。與加速度測呈差動(dòng)變化。與加速度測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。以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂

12、直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動(dòng)或加速度。器，就可以測量三維方向的振動(dòng)或加速度。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)測加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(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器的假人人氣囊氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用汽車

13、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 。 汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用3、濕敏電容、濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電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。容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的當(dāng)相對濕度增大時(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)相對介電常數(shù)水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為大為增加（水的相對介電常數(shù)為8080）

14、，所以電），所以電容量增大。容量增大。 濕敏電容濕敏電容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形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4、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。 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。當(dāng)油處。

15、當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電減小，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?。?，同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r(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)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針阻值達(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（停留在新的位置（ x 處）。處）。5、電容式接近開關(guān)、電容式接近開關(guān) 被檢測物體可以是被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼耗較大的絕緣體、含水的物體（例如

16、飼料、人體等）料、人體等） ；可以是接地的，也可以可以是接地的，也可以是不接地的。是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動(dòng)作距離。改變動(dòng)作距離。 在第四章里，曾介紹過在第四章里，曾介紹過“電感式接近開關(guān)電感式接近開關(guān)”，它能判斷金屬物體靠近與否。它能判斷金屬物體靠近與否?；鼗?顧顧 一一 下下接近開關(guān)工作原理感應(yīng)面原理圖 當(dāng)被測目標(biāo)接近傳感器感應(yīng)面時(shí)，引起兩極板之間的耦合電容增加，電路開始震蕩，其振幅由幅值分析電路測得，并形成開關(guān)信號(hào)。電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 被測物體為導(dǎo)體時(shí)，被測目標(biāo)對傳感器的感應(yīng)

17、面形成一個(gè)反電極，并與A、B之間構(gòu)成串聯(lián)電容，串聯(lián)電容的電容量大于無測量目標(biāo)時(shí)的電容量，所以測試金屬時(shí)開關(guān)距離最大，對于不同的金屬也不用校正。 測量絕緣材料時(shí)，相當(dāng)于在A、B之間放入介電常數(shù)為的絕緣體，使其電容量增加，增加量取決于介電常數(shù)。介電常數(shù)越大，開關(guān)距離越大。 測有機(jī)材料時(shí)，開關(guān)距離與它的含水量有關(guān)。 材料介電常數(shù)空氣1木材2-7有機(jī)玻璃3.6陶瓷4.4水80 被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）如飼料、人體等） ；可以是接地的，；可以是接地的，也可以是不接地的。也可以是不接地的。 調(diào)節(jié)

18、接近開關(guān)尾調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動(dòng)作距離。測物不同來改變動(dòng)作距離。 電容式接近開關(guān)外形電容式接近開關(guān)外形齊平式齊平式非齊平式非齊平式遠(yuǎn)距離式（大量程）遠(yuǎn)距離式（大量程）全密封防水全密封防水式式電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在電容式接近開關(guān)在液位物位測量液位物位測量控制中的使用控制中的使用對應(yīng)的光柱顯示 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示使用演示由于被測物料的由于被測物料的介電常數(shù)介電常數(shù)與空氣不同，所以倉內(nèi)物位發(fā)生變化與空氣不同，所以倉內(nèi)物位發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起時(shí)會(huì)引起對倉壁間的電容量對倉壁間的電容量發(fā)生變化發(fā)生變化.6. 位移測量xuxu07. 7. 電容式電容式聽診器聽診器原理原理p