第5章電容式傳感器.

1、第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性5.3 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 第5章 電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化+dA 實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器應(yīng)用范圍:位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測量5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)第5章 電容式傳感器 兩平行極板組成的電容器,當(dāng)忽

2、略邊緣效應(yīng)時(shí)，它的電容量為:+dA 當(dāng)被測量d、A或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。0rAACdd A極板相對(duì)覆蓋面積；d極板間距離；r相對(duì)介電常數(shù),對(duì)于空氣介質(zhì)，r 1;0 真空介電常數(shù)，0 8.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。（5-1） 第5章 電容式傳感器 分類示意圖分類示意圖 c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平板直線位移型平板直線位移型, ,圓柱直線位移型圓柱直線位移型. .+a) a) 極距變化型極距變化型; ;+0rSSCdd0

3、rAACdd 第5章 電容式傳感器 圖5-1 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式第5章 電容式傳感器 5.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器000rACd （5-2） 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有 200000000111ddddCddCddACCCr（5-3） 初始極距為d0時(shí)，其初始電容量C0為dA動(dòng)極板動(dòng)極板定極板定極板第5章 電容式傳感器 圖5-3 電容量與極板間距離的關(guān)系 CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d第5章 電容式傳感器 若d/d01時(shí)，1-(d/d0)21，則式 000ddCCC（5-4） 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容

4、式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。 在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。 但d0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、 塑料膜等）作介質(zhì), 如圖 5-4 所示，此時(shí)電容C變?yōu)?第5章 電容式傳感器 000ggACdd （5-5） 式中：g云母的相對(duì)介電常數(shù)； 0空氣的介電常數(shù)； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 gdgd00圖5-4 放置云母片的電容器一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內(nèi), 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 故在微位移測量中應(yīng)用

5、最廣。第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 電容傳聲器 電容式傳聲器結(jié)構(gòu)1-毛細(xì)孔 2-內(nèi)腔 3-背極板 4-膜片 5-阻尼孔 6-絕緣體 7-殼體 8-引線第5章 電容式傳感器 電容式傳聲器是目前各項(xiàng)指標(biāo)都較為優(yōu)秀的一種傳聲器，具有頻率特性電容式傳聲器是目前各項(xiàng)指標(biāo)都較為優(yōu)秀的一種傳聲器，具有頻率特性較好、音質(zhì)清脆、構(gòu)造堅(jiān)固、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用在廣播電臺(tái)、較好、音質(zhì)清脆、構(gòu)造堅(jiān)固、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用在廣播電臺(tái)、電視臺(tái)、電影制片廠及廳堂擴(kuò)聲等各種場合。電視臺(tái)、電影制片廠及廳堂擴(kuò)聲等各種場合。第5章 電容式傳感器 駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器(ECM)(ECM) 它

6、采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 第5章 電容式傳感器 動(dòng)圈傳聲器動(dòng)圈傳聲器主要由振動(dòng)膜片、音圈、永久磁鐵和升壓變壓器等組成。它的工作原理是主要由振動(dòng)膜片、音圈、永久磁鐵和升壓變壓器等組成。它的工作原理是當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，膜片就隨著聲音前后顫動(dòng)，從而帶動(dòng)音圈在磁場中當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，膜片就隨著聲音前后顫動(dòng)

7、，從而帶動(dòng)音圈在磁場中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)音頻作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)音頻電動(dòng)勢，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換。為了提高傳聲器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢和阻抗，電動(dòng)勢，從而完成了聲電轉(zhuǎn)換。為了提高傳聲器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢和阻抗，還需裝置一只升壓變壓器。還需裝置一只升壓變壓器。 動(dòng)圈傳聲器結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)圈傳聲器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、使用方便、穩(wěn)定可靠、使用方便、固有噪聲小，被廣泛用固有噪聲小，被廣泛用于語言廣播和擴(kuò)聲系統(tǒng)于語言廣播和擴(kuò)聲系統(tǒng)中。但缺點(diǎn)是靈敏度較中。但缺點(diǎn)是靈敏度較低、頻率范圍窄。近幾低、頻率范圍窄。近幾年已有專用動(dòng)圈傳聲器，年已有

8、專用動(dòng)圈傳聲器，其特性和技術(shù)指標(biāo)都較其特性和技術(shù)指標(biāo)都較好好 。第5章 電容式傳感器 圖5-5 變面積型電容傳感器原理圖 bxadxS當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長度方向平移x時(shí)，則電容變化量為00rbxCCCd 5.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器0()rax bCd (5-6) 電容相對(duì)變化量為axCC0(5-7) a. a. 平板直線位移式平板直線位移式靈敏度靈敏度00rCbCKxad 第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 動(dòng)極板動(dòng)極板定極板定極板b.b.半圓形角位移式半圓形角位移式當(dāng)=0時(shí)，則 0000dACr(5-8) 當(dāng)0時(shí)， 則 000001CCdACr（5-9）

9、 0CC電容相對(duì)變化量為與成線性關(guān)系第5章 電容式傳感器 +第5章 電容式傳感器 c.c.圓柱形直線位移圓柱形直線位移式式初始電容C0為：02lnLCDd021lnLxxCCDLd當(dāng)內(nèi)筒上移x時(shí)，內(nèi)外筒間的電容C為：dDLx與x成線性關(guān)系電容相對(duì)變化量為0CxCL第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 圖5-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 DdHh15.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，變換器電容值為 11110022()2()211112()2()11hHhhHCDDDDnnnndddd

10、hHCCDDnndd000ChCH第5章 電容式傳感器 兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。 傳感器總電容量C為02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) 圖5-8 變介質(zhì)型電容式傳感器 L0Ld0r1r202000) 1(LLCCCCCr式中：L0和b0極板的長度和寬度； L第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度。 若電介質(zhì)r1=1, 當(dāng)L=0時(shí)，傳感器初始電容C0=0rL0b0/d0。 當(dāng)被測介質(zhì)r2進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為 (5-12) 可見，電容量的變化與電介質(zhì)r2的移動(dòng)量L成線性關(guān)系。 第5章

11、 電容式傳感器 表表5-1 電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù) 第5章 電容式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）第5章 電容式傳感器 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測電容被測電容第5章 電容式傳感器 5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性電容的相對(duì)變化量為 0001dCddCd(5-13) 當(dāng)|d/d0|1時(shí)，上式可按級(jí)數(shù)展開，可得 30200001ddddddddCC(5-14) d0A動(dòng)極板動(dòng)極板定極板定極板第5章 電容式傳感器 因|d/d0|

12、1忽略高次項(xiàng) 00ddCC結(jié)論：結(jié)論： 欲提高靈敏度，應(yīng)減小間隙d0，但受電容器擊 穿電壓的限制；非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 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：d/d0 =0.020.1 為改善非線性，可以采用差動(dòng)式。(5-15) 電容傳感器的靈敏度為 001/ddCCK相對(duì)非線性誤差為%100%100|/|)/(0020dddddd(5-16) (5-18) 第5章 電容式傳感器 00d1d2C1C2S差動(dòng)式電容傳感器差動(dòng)式電容傳感器 當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1=d0-d，電容器C2的間隙d2=d0+d, 則 002001/11

13、/11ddCCddCC在d/d0Ur時(shí)，D=0 Q=0，信號(hào)反轉(zhuǎn)，Q=1。C1經(jīng)D1放電。C2充電，VG 。當(dāng)VG Ur時(shí)，D=0 Q=0，Q=1，再次反轉(zhuǎn)。C2經(jīng)D2放電。設(shè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平U1，低電平0B雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A1A2R1R2QQ-AFGDD-UrVD1VD2212110)(TTTTUUUUBArxUUUCRT11111lnrxUUUCRT11222lnCx1Cx2uAB12112121210UddddUCCCCUxxxx當(dāng)d1=d0-d, d2=d0+d時(shí)，有1100UAAUddU5.4.5 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 第5章 電容式傳感器 圖5-16 脈沖寬度調(diào)制電路

14、電壓波形 uAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b)第5章 電容式傳感器 容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又有多極電容帶來的平均效應(yīng)。1、測量原理、測量原理5.5 容柵式傳感器容柵式傳感器maxabCndn-動(dòng)?xùn)诺臇艠O數(shù)a,b-柵極片長度和寬度第5章 電容式傳感器 數(shù)顯卡尺數(shù)顯卡尺公/英制轉(zhuǎn)換, 任意位置置零。深度測桿公/英制轉(zhuǎn)換, 任意位置置零。絕對(duì)測量和相對(duì)測量相互轉(zhuǎn)換。深度測桿，報(bào)警功能第5章 電容式傳感器 數(shù)顯內(nèi)徑卡尺

15、數(shù)顯內(nèi)徑卡尺高度尺高度尺公/英制轉(zhuǎn)換, 任意位置置零。絕對(duì)測量和相對(duì)測量相互轉(zhuǎn)換。深度測桿，報(bào)警功能公/英制轉(zhuǎn)換, 任意位置置零。絕對(duì)測量和相對(duì)測量相互轉(zhuǎn)換。深度測桿，報(bào)警功能第5章 電容式傳感器 電容傳感器的特點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn)1、溫度穩(wěn)定性好：自身發(fā)熱極小，電容值與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低材料。如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金，近年來又采用在陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。2、結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強(qiáng)：可以做的非常小巧。能在高溫，低溫，強(qiáng)輻射，強(qiáng)磁場等惡劣環(huán)境中工作。3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：可動(dòng)部分可以做的很輕，很薄，固有頻率能做的很高。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好?？蓽y量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。4、

16、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量,具有平均效應(yīng)：非接觸測量回轉(zhuǎn)工件的偏心、振動(dòng)等參數(shù)時(shí)，由于電容具有平均效應(yīng)，可以減小表面粗糙度對(duì)測量的影響。5、耗能低第5章 電容式傳感器 1、輸出阻抗高，負(fù)載能力差：電容值一般為幾十到幾百皮法，輸出阻抗很大，易受外界的干擾，對(duì)絕緣部分的要求較高（幾十兆歐以上）。2、寄生電容影響大：由于電容傳感器起的初始電容值一般較小，而連接傳感器的引線電纜電容（12m導(dǎo)線可達(dá)到800pF），電子線路雜散電容以及周圍導(dǎo)體的“寄生電容”卻較大。這些電容一般是隨機(jī)變化的，將使儀器工作不穩(wěn)定，影響測量精度。因此，在設(shè)計(jì)和制作時(shí)要采取必要的有效的措施減小寄生電容的影響。第5章 電容式傳感器 一、溫

17、度對(duì)電容式傳感器的影響一、溫度對(duì)電容式傳感器的影響 環(huán)境溫度的改變將引起電容式變換器各零件幾何尺寸的改變，從而導(dǎo)致電容極板間隙或面積發(fā)生改變，。這一點(diǎn)對(duì)于空間隙電容式傳感器來說更顯重要，因?yàn)槌跏奸g隙都很小，約幾十微米至幾百微米之間。溫度變化使各零件尺寸變化，可能導(dǎo)致對(duì)本來就很小的間隙產(chǎn)生很大的相對(duì)變化，從而。 影響電容式傳感器精度的因素及提高精度的措施影響電容式傳感器精度的因素及提高精度的措施為減小這種誤差為減小這種誤差 一般盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。如絕緣材料采用石英、陶瓷等，金屬材料選用低膨脹系數(shù)的鎳鐵合金?；驑O板直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬膜來代替。 采用差動(dòng)對(duì)

18、稱結(jié)構(gòu)，并在測量線路中對(duì)溫度誤差加以補(bǔ)償。 溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響 使傳感器電容改變，帶來溫度誤差。溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異。這種溫度誤差可用后接的測量線路進(jìn)行一定的補(bǔ)償，而完全消除是困難的。第5章 電容式傳感器 二、漏電阻的影響（絕緣性能）二、漏電阻的影響（絕緣性能） 電容變換器的容抗都很高，特別是在激勵(lì)電壓頻率較低時(shí)，在與測量線路配接時(shí)，當(dāng)兩極板間總的漏電阻漏電阻若與容抗相近若與容抗相近，就必須考慮分路作用對(duì)系統(tǒng)總靈敏度的影響。 這主要是采用高質(zhì)量的絕緣材料及采用合理的結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的絕緣材料及采用合理的結(jié)構(gòu)加以解決。 第5章 電容式傳感器 三、邊緣

19、效應(yīng)與寄生參量的影響三、邊緣效應(yīng)與寄生參量的影響 1、邊緣效應(yīng)、邊緣效應(yīng) 理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡化電容量計(jì)算的一種假定。 當(dāng)考慮電場的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響， 為克服邊緣效應(yīng)，首先應(yīng)增大初始電容量C0，即增大極板面積，減小極板間隙。 在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。 均勻電場均勻電場等位環(huán)等位環(huán)電極電極電極電極邊邊緣緣電電場場邊邊緣緣電電場場等位環(huán)安放在上面電極外，且與上電極絕緣組等電位，這樣就能使上電極的邊緣電力線平直，兩極間電場基本均勻。而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)的外周不影響工作。 第5章 電容式傳感器 2、寄生參量、寄

20、生參量 一般電容傳感器電容值很小，如果激勵(lì)頻率較低，則電容傳感器的容抗很大，因此對(duì)傳感器絕緣電阻要求很高；另一方面，變換器電容極板并聯(lián)的寄生電容也會(huì)帶來很大的影響。 .增加原始電容值增加原始電容值.注意傳感器的接地和屏蔽（右圖）注意傳感器的接地和屏蔽（右圖）.將傳感器與電子線路的前置將傳感器與電子線路的前置 級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)（集成化）級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)（集成化）第5章 電容式傳感器 測量電路測量電路前置級(jí)前置級(jí)+1:1內(nèi)層屏蔽內(nèi)層屏蔽外層屏蔽外層屏蔽Cx 在電容傳感器與測量線路在電容傳感器與測量線路前置極間前置極間采用雙層屏蔽電纜采用雙層屏蔽電纜。這種接法使這種接法使傳輸電纜的芯線與傳輸電纜的芯

21、線與內(nèi)層屏蔽等電位內(nèi)層屏蔽等電位，消除了芯線，消除了芯線對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了寄生電容的影響。同時(shí)消除了寄生電容的影響。同時(shí)放大器的高輸入阻抗又起到阻放大器的高輸入阻抗又起到阻抗匹配的作用。抗匹配的作用。.采用采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)技術(shù)等電位屏蔽法等電位屏蔽法第5章 電容式傳感器 .采用運(yùn)算放大器法采用運(yùn)算放大器法所謂整體屏蔽是將整個(gè)電橋(包括電源、電纜等）統(tǒng)一屏蔽起來，其關(guān)鍵在于正確選取接地點(diǎn)。與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電容CP /（1+A）.整體屏蔽整體屏蔽屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩平衡電阻阻抗臂Z1和Z2中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容Cp1和

22、Cp2分別與Z1和Z2相并聯(lián)。如果Z1和Z2比Cp1和Cp2的容抗小得多，則寄生電容Cp1和Cp2對(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。 第5章 電容式傳感器 四、防止和減小外界干擾四、防止和減小外界干擾p 注意傳感器的接地和屏蔽注意傳感器的接地和屏蔽p 增加原始電容值，降低容抗增加原始電容值，降低容抗p 導(dǎo)線分布合理導(dǎo)線分布合理p 盡可能一點(diǎn)接地盡可能一點(diǎn)接地p 盡量采用差動(dòng)式電容傳感器盡量采用差動(dòng)式電容傳感器第5章 電容式傳感器 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 1. 水分檢測：水分檢測：糧食、油2. 液位測量：液位測量：液位變送器、液位限位傳感器3. 壓力測量：壓力測量： 差壓傳感器、

23、變面積傳感器、荷重傳感器4. 加速度測量加速度測量5. 厚度測量厚度測量6. 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)量程量程精度精度分辨力分辨力變極距型變極距型0.01幾百微米幾百微米0.01 m0.001 m變面積型變面積型零點(diǎn)幾零點(diǎn)幾幾百毫幾百毫米米優(yōu)于優(yōu)于0.5%0.010.001 m第5章 電容式傳感器 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)RP的滑動(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)，指針停留在新的位置（ x 處）。第5章 電容式傳

24、感器 該油量該油量表可用于表可用于飛機(jī)油箱飛機(jī)油箱第5章 電容式傳感器 2. 利用電容差壓變送器測量液體的液位利用電容差壓變送器測量液體的液位 差壓液位變送器差壓液位變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：的壓力與液位成正比： p = g h第5章 電容式傳感器 電容式液位計(jì)電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給

25、出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。以選擇輸出為高電平的型號(hào)。 第5章 電容式傳感器 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)定方智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。警信號(hào)和控制信號(hào)。第5章

26、 電容式傳感器 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指示燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源指示燈電源指示燈第5章 電容式傳感器 電容式料位傳感器電容式料位傳感器測定電極安裝在罐的頂部測定電極安裝在罐的頂部,這這樣在罐壁和測定電極之間就樣在罐壁和測定電極之間就形成了一個(gè)電容器。傳感器形成了一個(gè)電容器。傳感器的靜電電容可由下式表示的靜電電容可由下式表示: dDhkcsln)(0k比例常數(shù); s被測物料的相對(duì)介電常數(shù); 0空氣的相對(duì)介電常數(shù); D儲(chǔ)罐的內(nèi)徑; d測定電極的直徑; h被測物料的高度。第5章 電容式傳感器 3. 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感

27、器 圖5-17 差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 工作原理工作原理: 將測量膜片與電容極板之間的電容差經(jīng)振蕩器振蕩、調(diào)制解調(diào)、放大器放大、電壓電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。第5章 電容式傳感器 PP第5章 電容式傳感器 當(dāng)PH=PL時(shí)，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0；當(dāng)PHPL時(shí)，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。CH 相當(dāng)于當(dāng)前膜片位置與平直位置間的電容CA和C0的串聯(lián)；而C0又可看成是膜片上部電容CL與的CA串聯(lián)。hmaxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA00000CCCCCCCCCCCCCCCAAHAALLALA;第5章 電容式傳感器 Rbadbd0實(shí)線為球冠型

28、實(shí)線為球冠型固定電極固定電極設(shè)膜片半徑為a，球冠形固定電極的半徑為R，固定電極的實(shí)際拱底半徑為b，拱底距膜片的距離為db，當(dāng)d0R時(shí)：bddC002ln在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似為:為膜片周邊張力。TraTPPhLH,224計(jì)算點(diǎn)半徑計(jì)算點(diǎn)半徑第5章 電容式傳感器 而CA為：(積分求解過程省略)LHLHLHAPPkPPbaalnTbaalnPPTC1144222222HLHLQQCCCCUCCCCUU 21210利用脈寬調(diào)制電路，將中心膜片接地，其輸出U0 輸出U0與差壓PH-PL成正比。2224baalnTkLH0QA0Q0PPkCUCCUUAHLHLAAHLAAAAAAHLC

29、CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC020220202200000 而所以第5章 電容式傳感器 高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器電容式差壓變送器 第5章 電容式傳感器 各種電容式差壓變送器外形各種電容式差壓變送器外形 第5章 電容式傳感器 各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）各種電容式壓力變送器外形（續(xù)） （參考（參考丹東長隆丹東長隆 自控有限公司自控有限公司 資料）資料）法蘭法蘭第5章 電容式傳感器 各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）各種電容式壓力變送器外形（續(xù)） 第5章 電容式傳感器 4.

30、電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖5-18 差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 20002CdatCdd002CdCd212Sdat 第5章 電容式傳感器 硅微加工加速度傳感器硅微加工加速度傳感器 加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變交變加速度（振動(dòng)），也可測量慣性力慣性力或重力重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，加速度測量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。第5章 電容式傳感器 CS-LAS系列加速度傳感器系列加速度傳感器 該加速度傳感器是建造在硅晶片頂部的該加速度傳感器是建造在硅晶片頂部的表面表面MEMS多硅結(jié)構(gòu)。多晶硅簧片多硅結(jié)

31、構(gòu)。多晶硅簧片懸浮懸浮在晶在晶片表面的結(jié)構(gòu)，并提供一個(gè)克服加速度感應(yīng)片表面的結(jié)構(gòu)，并提供一個(gè)克服加速度感應(yīng)力的阻力。用包含兩個(gè)獨(dú)立的固定板和一個(gè)力的阻力。用包含兩個(gè)獨(dú)立的固定板和一個(gè)與運(yùn)動(dòng)質(zhì)塊相連的中央板形成的與運(yùn)動(dòng)質(zhì)塊相連的中央板形成的差動(dòng)電容器差動(dòng)電容器機(jī)構(gòu)來測量比例于加速度的多硅結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)，機(jī)構(gòu)來測量比例于加速度的多硅結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電壓輸出信號(hào)。從而產(chǎn)生電壓輸出信號(hào)。第5章 電容式傳感器 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)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(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

32、速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感器的裝有傳感器的假人假人氣囊氣囊第5章 電容式傳感器 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)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 第5章 電容式傳感器 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)延時(shí)起爆的鉆地炸彈起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置 美研制了高性能的美研制了高性能的FMU-152B聯(lián)聯(lián)合可編程引信，它可識(shí)別不同的介質(zhì)。合可編程引信，它可識(shí)別不同的介質(zhì)。碰到目標(biāo)，測碰擊力是否過大，彈頭碰到目標(biāo)，測碰擊力是否過大，彈頭強(qiáng)度是否不足，如是，彈頭立即起爆。強(qiáng)度是否不足，如是，彈頭立即起爆。

33、 第5章 電容式傳感器 荷重傳感器（電容式電子秤）荷重傳感器（電容式電子秤） 在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容，當(dāng)稱重時(shí)，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個(gè)孔中的電容極板間隙變小，其電容相應(yīng)增大。由于在電路上各電容是并聯(lián)的，因而輸出反映的結(jié)果是平均作用力的變化，測量誤差大大減小。（誤差平均效應(yīng)）測量電路可裝于孔中，減小體積。此類電子秤，對(duì)接觸面無要求，總誤差較小。 電容式稱重傳感器電容式稱重傳感器F絕緣材料絕緣材料動(dòng)極板動(dòng)極板定極板定極板極板支架極板支架彈性體彈性體第5章 電容式傳感器 電容式渦街流量傳感器MICROTRAK 9000 納米級(jí)超高精度電容式傳感器第5章

34、電容式傳感器 5. 差動(dòng)式電容測厚傳感器差動(dòng)式電容測厚傳感器 音 頻 信 號(hào) 發(fā) 生 器音 頻 放 大 器全 波 整 流 器差 動(dòng) 放 大 器C0C1C2RRCT圖 5-19 差動(dòng)式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 總電容總電容C=C1+C2，帶材厚度發(fā)生變帶材厚度發(fā)生變化時(shí)，化時(shí)，C變化，變化，帶材的振動(dòng)不影帶材的振動(dòng)不影響測量精度。響測量精度。第5章 電容式傳感器 6. 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 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（例如飼料、人體等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。 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)被測物不同來改變動(dòng)作距離。 測量頭構(gòu)成電容器

35、的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。也可以是絕緣的液體或粉狀物體。工作流程方框圖工作流程方框圖 第5章 電容式傳感器 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第5章 電容式傳感器 非齊平式非齊平式接近開關(guān)的安裝接近開關(guān)的安裝

36、非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易損壞。損壞。第5章 電容式傳感器 全密封防水式全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）遠(yuǎn)距離式（大量程）第5章 電容式傳感器 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第5章 電容式傳感器 電容接近開關(guān)，主要用于檢測非金屬物，被廣電容接近開關(guān)，主要用于檢測非金屬物，被廣泛應(yīng)用到顆粒料位儀、人體接近開關(guān)等用途，泛應(yīng)用到顆粒料位儀、人體接近開關(guān)等用途，它的直徑為它的直徑為18毫米，固定時(shí)只要在設(shè)備外殼上毫米，固定時(shí)只要在設(shè)備外殼上打一個(gè)打一個(gè)18毫米的園孔就能輕松固定，長度約毫米的園孔就能輕松固定，長度約70毫米，背后有工作指示燈，當(dāng)檢測到物體時(shí)毫米，背后有工作指示燈，當(dāng)檢測到物體時(shí)紅色紅色LED點(diǎn)亮，平時(shí)處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，點(diǎn)亮，平時(shí)處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長度為引線長度為100毫米。毫米。 第5章 電容式傳感器 電容式接近開關(guān)在液位物位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位物位測量控制中的使用電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）第5章 電容式傳感器 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示第5章 電容式傳感器 陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 介質(zhì)壓力作用介質(zhì)壓力作用在陶瓷膜片的在陶瓷膜片的表面，使膜