1、第五章第五章 電容傳感器電容傳感器電容傳感器是以各種類型的電容器作為傳感電容傳感器是以各種類型的電容器作為傳感組件的一種傳感器，通過它將被測物理量的組件的一種傳感器，通過它將被測物理量的變化轉化為電容量的變化，再經測量轉換電變化轉化為電容量的變化，再經測量轉換電路轉換為電壓、電流或頻率。路轉換為電壓、電流或頻率。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式0 rAACdd 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 上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？型的電容傳感器？ 第五章第五章 電容傳感器

2、電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式0 rAACdd 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 改變改變A A、d d、 三個參量中的任意一個量，均可三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量使平板電容的電容量C C 改變。改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。容傳感器。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器變介電常數式變介電常數式電容傳感器電容傳感器變極距式電容變極距式電容傳感器傳感器第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容

3、傳感器的工作原理及結構形式 圖圖a是平板形直線位移式結構。圖是平板形直線位移式結構。圖b b是同心圓筒形變面積式是同心圓筒形變面積式傳感器。圖傳感器。圖c c是一個角位移式的結構。是一個角位移式的結構。變面積式電容傳感器第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式變面積式電容傳感器 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等常數。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。對于半圓形角位移式可增加動極板和定極板的對數，參量。對于半圓形角位移式可增加動極板和定

4、極板的對數，使多片同軸動極板在等間隔排列定極板間隙中轉動，以提高使多片同軸動極板在等間隔排列定極板間隙中轉動，以提高靈敏度。在實際使用中，同心圓筒式的外筒必須接地以此來靈敏度。在實際使用中，同心圓筒式的外筒必須接地以此來屏蔽外界電場的干擾，半圓形角位移式的動極板必須制作一屏蔽外界電場的干擾，半圓形角位移式的動極板必須制作一個接地的金屬屏蔽盒。個接地的金屬屏蔽盒。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式變極距式電容傳感器 a） 結構示意圖結構示意圖 b）電容量與極板距離的關系）電容量與極板距離的關系1定極板定極板 2動極板動極板 為了提高靈敏度，應使為了提高靈敏度

5、，應使當當d d0 0小些還是大些？當小些還是大些？當變極距式電容傳感器的變極距式電容傳感器的初始極距初始極距d d0 0較小時，它較小時，它的測量范圍變大還是變的測量范圍變大還是變??？?。?第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式變極距式電容傳感器在實際使用中，總是使初始極距在實際使用中，總是使初始極距d0盡量小些，以盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點，一般起始電容設置在十幾皮法程較小的缺點，一般起始電容設置在十幾皮法(pF)至幾十皮法至幾十皮法(pF)、極距、極距d0設置在設置在100

6、-1000微米的范微米的范圍較合適，最大位移應該小于兩極板間距的圍較合適，最大位移應該小于兩極板間距的1/10-1/4，電容的變化量可高達，電容的變化量可高達2-3倍。倍。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式變介電常數式電容傳感器各種介質的相對介電常數不同，在電容器兩極板間插各種介質的相對介電常數不同，在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。入不同介質時，電容器的電容量也就不同。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式變介電常數式電容傳感器L0Ld0r1r2第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的

7、工作原理及結構形式差動電容傳感器為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動形式。動形式。圖圖3-7 差動電容傳感器差動電容傳感器原理圖原理圖 （a）變變d型（型（b）變變S型型則差動電容的輸出為：則差動電容的輸出為：351200002()()dddCCCCddd第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式差動電容傳感器略去高次項得：略去高次項得： 002CdCd32()()100dddddd可見，差動電容傳感器不僅使靈敏度提高一倍，而可見，差動電容傳感器不僅使靈敏度提高一倍，而且非線性誤差減小一個數

8、量級。且非線性誤差減小一個數量級。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第一節 電容傳感器的工作原理及結構形式電容傳感器優點：電容傳感器優點：（1 1）可獲得較大的相對變化量）可獲得較大的相對變化量（2 2）能在惡略的環境下工作）能在惡略的環境下工作（3 3）電容器工作所需的激勵源功率?。╇娙萜鞴ぷ魉璧募钤垂β市。? 4）動態響應快）動態響應快第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路電容傳感器將被測物理量轉換為電容的變化后，必電容傳感器將被測物理量轉換為電容的變化后，必須采用測量轉換電路將其轉換為電壓、電流或頻率須采用測量轉換電路將其轉換為電壓、電流或頻率信號，電容傳

9、感器測量轉換電路種類很多，常用的信號，電容傳感器測量轉換電路種類很多，常用的有橋式電路有橋式電路、調頻電路調頻電路、脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路、運算運算放大式電路放大式電路、二極管雙二極管雙T T形交流電橋形交流電橋等等。等等。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路橋式電路iUC1C2CxC30UiUCx1Cx20U0U0U單臂接法單臂接法差動接法差動接法第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路橋式電路iUC1C2CxC30U交流電橋平衡時交流電橋平衡時123xCCCC當當C Cx x改變時改變時00U00U橋路有輸出電壓橋路有輸出電

10、壓單臂接法單臂接法第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路橋式電路iUCx1Cx20UUU差動接法差動接法差動電容傳感器空載輸出電壓為：差動電容傳感器空載輸出電壓為： 1201200000222xxxxCCUUCCCCCC UCCCCC UC 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路橋式電路電橋輸出電壓與電源電壓成正比，因此要求電源電壓波動電橋輸出電壓與電源電壓成正比，因此要求電源電壓波動極小，需要采用穩頻、穩幅等措施。在實際應用中，接有極小，需要采用穩頻、穩幅等措施。在實際應用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達幾兆歐至幾電容傳

11、感器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達幾兆歐至幾十兆歐），輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗十兆歐），輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。放大器將信號放大后才能測量。電容式傳感器電容式傳感器電橋電路電橋電路相敏檢波相敏檢波濾波濾波輸出輸出振蕩器振蕩器電橋電路系統原理框圖第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路雙T形電橋電路 Ui是頻率為是頻率為f的高頻激勵電源，的高頻激勵電源，它提供了幅值對稱的方波。它提供了幅值對稱的方波。VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2

12、為為傳感器的兩個差動電容，初始值傳感器的兩個差動電容，初始值C1=C2。在。在Ui為正半周時，為正半周時，VD1導通、導通、VD2截止，于是電容快速充電到截止，于是電容快速充電到Ui的幅值，有的幅值，有電流流過電流流過RL。在隨后的負半周期間，。在隨后的負半周期間，VD1截止、截止、VD2導通，導通，于是電容于是電容C2快速充電到快速充電到Ui的幅值，而電容的幅值，而電容C1放電。有電放電。有電流流i2逆向流過逆向流過RL。VD2VD1ABR2R1RLi2U0C2C1Uii1第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路雙T形電橋電路雙雙T形電橋電路特點：形電橋電路特點：

13、1. 電路簡單；電路簡單； 2. 差動電容傳感器、信號源、負載有一個公共的接差動電容傳感器、信號源、負載有一個公共的接地點，不易受干擾；地點，不易受干擾； 3. VD1和和VD2工作在伏安特性的線性段，死區電壓影工作在伏安特性的線性段，死區電壓影響較??；響較小； 4. 輸出信號為幅值較高的直流電壓。輸出信號為幅值較高的直流電壓。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路調頻電路 調頻電路將電容式傳感器作為調頻電路將電容式傳感器作為 LC LC 振蕩器諧振回振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx 發生變發生變化，就使振蕩器

14、的頻率化，就使振蕩器的頻率 f 產生產生相應的變化。相應的變化。 電容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器有何區別電容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器有何區別？式中哪些量是變量？式中哪些量是變量？01 2fL C第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路調頻電路 振蕩器的輸出信號是一個受被測量量控制的調頻波，頻率的變化在振蕩器的輸出信號是一個受被測量量控制的調頻波，頻率的變化在鑒頻器中轉換為電壓幅度的變化，經放大器放大、檢波后就可用儀表來指鑒頻器中轉換為電壓幅度的變化，經放大器放大、檢波后就可用儀表來指示，也可將頻率信號直接送到計算機定時器進行測量，限幅器的作用時對示，也可

15、將頻率信號直接送到計算機定時器進行測量，限幅器的作用時對疊加在有用信號上的干擾電壓進行疊加在有用信號上的干擾電壓進行“削峰削峰”、去擾。、去擾。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路脈沖寬度調制電路 脈沖寬度調制脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)電路是利電路是利用某種方法對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，在電用某種方法對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，在電路的輸出端得到一系列按一定規律變化的、幅值相等而寬度路的輸出端得到一系列按一定規律變化的、幅值相等而寬度不相等的脈沖，是一種用以調節輸出能量和波形的調制方式。不相等的脈沖

16、，是一種用以調節輸出能量和波形的調制方式。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路脈沖寬度調制電路雙 穩 態觸 發 器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ#A1A2Ur第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路脈沖寬度調制電路uAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b)脈沖寬度調制電路電壓波形第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路脈沖寬度調制電路 電路各點波形（電路各點波形（b）中）中uA

17、、uB脈沖寬度不再相等，一個周期脈沖寬度不再相等，一個周期(T1+T2)時間內的平均電壓值不為零。此時間內的平均電壓值不為零。此uAB電壓經低通濾波器濾電壓經低通濾波器濾波后，波后， 可獲得可獲得Uo輸出輸出 21211TTTTUUUUBAo式中： U1觸發器輸出高電平； T1、T2Cx1、Cx2充電至Ur時所需時間。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路脈沖寬度調制電路由電路知識可知由電路知識可知 rxrxUUUnCRTUUUnCRT222221111111將將T T1 1、T T2 2代入上式，得代入上式，得 12121UCCCCUxxxxo差動電容的變化使充

18、電時間差動電容的變化使充電時間T T1 1、T T2 2不相等，從而使雙穩態觸不相等，從而使雙穩態觸發器輸出端的矩形脈寬不同，發器輸出端的矩形脈寬不同，經低通濾波器后有直流電壓輸經低通濾波器后有直流電壓輸出。出。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路特點：脈沖寬度調制電路特點：1 1 不論變面積式還是變極距式電容傳感器，均能獲得線性不論變面積式還是變極距式電容傳感器，均能獲得線性 輸出；輸出；2 2 雙穩態輸出信號一般為雙穩態輸出信號一般為100-1MHz100-1MHz的矩形波，所以直流輸的矩形波，所以直流輸出只需經濾波器出只需經濾

19、波器 濾波后引出即可；濾波后引出即可；3 3 電路采用直流電源，雖然要求直流電源的電壓穩定度較電路采用直流電源，雖然要求直流電源的電壓穩定度較高，但較其他測量電路中要求高穩定度的穩頻、穩幅的交高，但較其他測量電路中要求高穩定度的穩頻、穩幅的交流電源易于實現。流電源易于實現。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用 電容器的容量受三個因素影響，即：極距電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相、相對面積對面積A 和極間介電常數和極間介電常數 。固定其中兩個變。固定其中兩個變 量，量，電容量電容量C 就是另一個變量的一元函數。只要想辦法就是另一個變量的一元函數。只要想辦法將被測非

20、電量轉換成極距或者面積、介電常數的變將被測非電量轉換成極距或者面積、介電常數的變化，就可以通過測量電容量這個電參數來達到非電化，就可以通過測量電容量這個電參數來達到非電量電測的目的。量電測的目的。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式液位計 棒狀電極（金屬管）棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。之間的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式液位限位傳感器 液位限位傳感

21、器與液位變送液位限位傳感器與液位變送器的區別在于：它不給出模擬量，器的區別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。以選擇輸出為高電平的型號。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式液位限位傳感器的設定 智能化液位傳感器的設定方智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：法十分簡單： 用手指壓住設定按鈕，當用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，使

22、用時，當水位高于該點后，即可發出報警信號和控制信號。即可發出報警信號和控制信號。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式液位限位傳感器的設定超限燈超限燈正常工作指示燈正常工作指示燈電源電源 指示燈指示燈設定按鈕設定按鈕第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細加工技圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為其工作電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測，加速度測量范圍為數個量

23、范圍為數個g g，可輸出與加速度成正，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比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的度的PWM 脈沖。脈沖。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用微加工三軸加速度傳感器技術指標：技術指標： 靈敏度：靈敏度：500mV/g ， 量程：量程：10g， 頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點安裝諧振點:8kHz 分辨力：分辨力：0.00004g ， 重量：重量：200g ， 安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm ， 線性誤差：線性誤差：1% 1% 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用硅微加工加速度傳感器原理 1

24、 1加速度測試單元加速度測試單元 2 2信號處理電路信號處理電路 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）第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用硅微加工加速度傳感器原理 利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結 構。在硅襯構。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C C1 1、C C2 2。圖中的底層多晶硅。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下

25、微動的振動片。其和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。 當它感受到上下振動時，當它感受到上下振動時，C C1 1、C C2 2呈差動變化。與加速度測試單元封裝呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將在同一殼體中的信號處理電路將C C 轉換成直流輸出電壓。它的激勵源也轉換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的做在同一殼體內，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質量很輕，所以頻率響應可達質量很輕，所以頻率響應可達1k

26、Hz1kHz以上，允許加速度范圍可達以上，允許加速度范圍可達10g 10g 以上以上。 如果在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測如果在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。量三維方向的振動或加速度。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用速度傳感器在汽車中的應用 加速度傳感器安裝在轎加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設當測得的負加速度值超過設定值時，定值時， 微處理器微處理器據此判據此判斷發生了碰斷發生了碰 撞，于是就啟撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣

27、動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭駛員及前排乘員的胸部和頭部。部。 裝有傳感器的假人裝有傳感器的假人氣囊氣囊第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用速度傳感器在汽車中的應用 使用加速度使用加速度傳感器可以在汽傳感器可以在汽車發生碰撞時，車發生碰撞時，經控制系統使氣經控制系統使氣囊迅速充氣囊迅速充氣 。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用速度傳感器在汽車中的應用第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用利用速度傳感器實現延時起爆鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置第五章第五章

28、電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質，在其兩側面鍍上多孔性電極。當相對感器的介質，在其兩側面鍍上多孔性電極。當相對濕度增大時，吸濕性介質吸收空氣中的水蒸氣，使濕度增大時，吸濕性介質吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介電常數大為增加（水的兩塊電極之間的介質相對介電常數大為增加（水的相對介電常數為相對介電常數為8080），所以電容量增大。），所以電容量增大。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用濕敏電容吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜第五章第五章 電容傳感器電容傳感器

29、第三節 電容傳感器的應用濕敏電容濕敏電容模塊及傳濕敏電容模塊及傳感器外形感器外形第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用濕敏電容在野外的使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型帶報警器的家庭使用型第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用濕敏電容多孔性氧化鋁濕敏電容傳多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形感器外形 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式油量表 在油箱內，裝有在油箱內，裝有類似衛生間水箱里的類似衛生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油，由電流表指示出油量。量。第五章第五

30、章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式油量表 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉角為當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉角為 m處。處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減小），失去平衡，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減?。?，同時帶動同時帶動RP的滑動的滑動臂移動。當臂移動。當RP阻值阻值達到一定值時，電達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，伺服電動機停轉，指針停留在新的橋又達到新的平衡狀態，伺服電動機停轉，指針停留在新的位置（位置（ x 處）。處

31、）。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用指紋識別 指紋識別目前最常用的指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系稱為第二代指紋識別系統。它的優點是體積小、統。它的優點是體積小、成本低，成像精度高，成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此而且耗電量很小，因此非常適合在消費類電子非常適合在消費類電子產品中使用。產品中使用。 右圖為指紋經過處理右圖為指紋經過處理后的成像圖：后的成像圖：第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用指紋識別第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用指紋識別第五章第五章 電容傳感器電

32、容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近開關 被檢測物體可以是導電體、介質損耗被檢測物體可以是導電體、介質損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）體等） ；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。 調節接近開關尾部的靈敏度調節電位器，可調節接近開關尾部的靈敏度調節電位器，可以根據被測物不同來改變動作距離。以根據被測物不同來改變動作距離。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近開關齊平式齊平式非齊平式非齊平式第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近開關 非齊平式安裝

33、時，傳感器高于安裝支架，易損壞。非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近開關全密封防水式全密封防水式遠距離式（大量程）遠距離式（大量程）第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近開關電容接近開關的規格電容接近開關的規格第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近開關電容式接近開關在液位測量控制中的使用電容式接近開關在液位測量控制中的使用第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近開關第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第三節 電容傳感器的應用電容式接近

34、開關不同材料的非金屬檢測不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關動物對電容式接近開關動作距離的影響作距離的影響第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量 壓力的國際單位為壓力的國際單位為“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”（PaPa）。）。 除此之外，工程界長期使用許多不同的壓力計量單除此之外，工程界長期使用許多不同的壓力計量單位。如位。如“工程大氣壓工程大氣壓”、“標準大氣壓標準大氣壓”、“毫米汞柱毫米汞柱”，氣象學中還用氣象學中還用“巴巴”（barbar）和）和“托托”為壓力單位。這些單為壓力單位。這些單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。位在一些進口儀表說明書上可能

35、還會見到。 壓力基本概念2022-4-1262壓力單位轉換對照表壓力單位轉換對照表 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量壓力分類壓力壓力相對壓力相對壓力絕對壓力絕對壓力差壓差壓表壓表壓絕對壓力絕對壓力 傳感器傳感器差壓傳感器差壓傳感器表壓傳感器表壓傳感器第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量壓力分類絕對壓力絕對壓力 傳感器傳感器它所測得的壓力數值是相對于密封在絕對壓力傳感它所測得的壓力數值是相對于密封在絕對壓力傳感器內部的基準真空（相當于零壓力參考點）而言的，器內部的基準真空（相當于零壓力參考點）而言的，是以真空為起點的壓力。平常所說的環境

36、大氣壓指是以真空為起點的壓力。平常所說的環境大氣壓指絕對壓力。當絕對壓力小于絕對壓力。當絕對壓力小于101kPa時，可以認為時，可以認為是是“負壓負壓”，所測得壓力相當于真空度。，所測得壓力相當于真空度。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量壓力分類差壓是指兩個壓力差壓是指兩個壓力p1和和p2之差，又稱為壓力差。差之差，又稱為壓力差。差壓傳感器在使用時，不允許在一側仍保持很高壓力壓傳感器在使用時，不允許在一側仍保持很高壓力的情況下，將另一側的壓力降低到零（值環境壓的情況下，將另一側的壓力降低到零（值環境壓力），這將使原來用于微小差壓的膜片破裂。所以力），這將使原來用于

37、微小差壓的膜片破裂。所以兩側最好安裝一個保護用的均壓閥。兩側最好安裝一個保護用的均壓閥。差壓傳感器差壓傳感器第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量壓力傳感器顯示的壓力為壓力傳感器顯示的壓力為“表壓表壓”。表壓測量是差。表壓測量是差壓測量的特殊情況。測量時，以環境大氣壓為參考壓測量的特殊情況。測量時，以環境大氣壓為參考標準，將差壓傳感器的一側向大氣敞開，就形成了標準，將差壓傳感器的一側向大氣敞開，就形成了表壓傳感器。表壓傳感器輸出為零時，其膜片兩側表壓傳感器。表壓傳感器輸出為零時，其膜片兩側實際上均存在一個大氣壓的絕對壓力。實際上均存在一個大氣壓的絕對壓力。表壓傳感器表

38、壓傳感器第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量電容式差壓變送器高壓側高壓側進氣口進氣口低壓側進低壓側進氣口氣口電子線電子線路位置路位置內部不銹鋼膜片的位置內部不銹鋼膜片的位置第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量電容式差壓變送器 1高壓側進氣口高壓側進氣口 2低壓側進氣口低壓側進氣口 3過濾片過濾片 4空腔空腔 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波 紋隔離膜紋隔離膜片片 6導壓硅油導壓硅油 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9彈性平膜片彈性平膜片 10 腔腔第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量電容式差

39、壓變送器當被測壓力當被測壓力p1、p2由兩側的內螺紋壓力接頭進入各自的空腔，由兩側的內螺紋壓力接頭進入各自的空腔，該壓力通過不銹鋼波紋隔離膜以及熱穩定性很好的灌充液該壓力通過不銹鋼波紋隔離膜以及熱穩定性很好的灌充液（導壓硅油），傳導到（導壓硅油），傳導到“ 腔腔”。彈性平膜片由于受到來自兩。彈性平膜片由于受到來自兩側的壓力差而凸向壓力小的一側。在側的壓力差而凸向壓力小的一側。在 腔中，彈性膜片與兩側腔中，彈性膜片與兩側的鍍金定級之間的距離很?。s的鍍金定級之間的距離很?。s0.5mm左右），所以微小的左右），所以微小的位移（不大于位移（不大于0.1mm）就可以使電容變化）就可以使電容變化100

40、pF以上。測量以上。測量轉換電路將電容的變化轉換成標準的電流信號，通過信號電轉換電路將電容的變化轉換成標準的電流信號，通過信號電纜線輸出到二次儀表。纜線輸出到二次儀表。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量電容式差壓變送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 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量電容式差壓變送器各種電容式差壓各種電容式差壓變送器外形變送器外形 （參考（參考丹東長丹東長隆隆 自控有限公自控有限公司司 資料）資料）第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量電容式差壓變送器各種電容式差壓各種電容式

41、差壓變送器外形變送器外形 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量利用差壓變送器測量液體的液位差壓變送器差壓變送器施加在高壓側腔體內施加在高壓側腔體內的壓力與液位成正比：的壓力與液位成正比： p = g h第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量利用差壓變送器測量液體的液位投入式水位計投入式水位計第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓變送器在流量測量中的應用流量是指流體在單位時間內通過某一截面的體積數或質量數，流量是指流體在單位時間內通過某一截面的體積數或質量數，分別成為體積流量分別成為體積流量qv和質量流量和質量流

42、量qm。 體積流量體積流量qV=Av，單位為，單位為m3/h或或L/s； 質量流量質量流量qm= Av，單位為，單位為t /h或或kg/s。 例：設測得流速例：設測得流速v =10m/s ，圓管道的直徑，圓管道的直徑r =1m，則截面積，則截面積A=0.79m2 ，流量，流量qV V= 7.9m3 /s 。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓變送器在流量測量中的應用 測量流量的方法很多，有流速法、容積法、質測量流量的方法很多，有流速法、容積法、質量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦輪式、量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、

43、熱線式、多普勒式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節流式等。按照國家標準制超聲式、電磁式、差壓節流式等。按照國家標準制造的標準節流裝置的流量系數計算公式是相當完備造的標準節流裝置的流量系數計算公式是相當完備的，所以它是一種可靠性和標準化較高的流量傳感的，所以它是一種可靠性和標準化較高的流量傳感器，所以在工業中大量使用差壓式流量計。器，所以在工業中大量使用差壓式流量計。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓變送器在流量測量中的應用葉輪式風流速、流量計葉輪式風流速、流量計 （參考北京北方大河儀器儀表（參考北京北方大河儀器儀表 有限公司

44、資料）有限公司資料）第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓變送器在流量測量中的應用玻璃轉子流玻璃轉子流量計量計流體入口流體入口流體出口流體出口轉子轉子第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓節流式流量計 所謂節流裝置，就是在管道中段設置一個流通面積所謂節流裝置，就是在管道中段設置一個流通面積比管道狹窄的孔板或者文丘里噴嘴，使流體經過該節流裝比管道狹窄的孔板或者文丘里噴嘴，使流體經過該節流裝置時，流束局部收縮，流速提高，壓強減小。置時，流束局部收縮，流速提高，壓強減小。 節流式流量計的缺點是流體通過節流裝置后，會產節流式流量計的缺點是流體

45、通過節流裝置后，會產生不可逆的壓力損失。另外，當流體的溫度生不可逆的壓力損失。另外，當流體的溫度t 、壓力、壓力p1變變化時，流體的密度將隨之改變。所以必須進行溫度、壓力化時，流體的密度將隨之改變。所以必須進行溫度、壓力修正。修正。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓節流式流量計節流裝置（取壓節流裝置（取壓管及內部的節流管及內部的節流孔板）孔板）節流孔板節流孔板后取壓管后取壓管 前取壓管前取壓管流體通過節流孔板時，流體通過節流孔板時，流速加快，后取壓管處流速加快，后取壓管處的壓力減小。的壓力減小。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量

46、差壓節流式流量計節流裝置外形節流裝置外形節流孔板節流孔板后取壓管后取壓管 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓節流式流量計節流孔板節流孔板流速變快，壓力流速變快，壓力變小變小 流體流經節流孔板時，壓力和流流體流經節流孔板時，壓力和流速的變化情況速的變化情況 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓節流式流量計節流裝置的另一種形式節流裝置的另一種形式文丘里管或文丘里噴嘴文丘里管或文丘里噴嘴 文丘里噴嘴的文丘里噴嘴的壓力損失較小。壓力損失較小。流體入口流體入口狹窄部位狹窄部位第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量

47、差壓節流式流量計 節流裝置輸出的壓力差是從節流裝置的前后節流裝置輸出的壓力差是從節流裝置的前后取壓孔取出的。從取壓孔到差壓變送器的導壓管的取壓孔取出的。從取壓孔到差壓變送器的導壓管的配置也應按照規定的標準安裝。如果被測流體是氣配置也應按照規定的標準安裝。如果被測流體是氣體，導壓管應從節流裝置的上方引出，以免混雜在體，導壓管應從節流裝置的上方引出，以免混雜在氣體中的液滴堵住取壓管；如果被測流體是液體，氣體中的液滴堵住取壓管；如果被測流體是液體，導壓管應從節流裝置的下方引出，以免混雜在液體導壓管應從節流裝置的下方引出，以免混雜在液體中的氣體影響取壓。中的氣體影響取壓。 第五章第五章 電容傳感器電容

48、傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓節流式流量計導壓管配置圖導壓管配置圖第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓節流式流量計節流式流量計外形節流式流量計外形第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第四節 壓力、液位和流量的測量差壓節流式流量計上海肯特智能有限公司上海肯特智能有限公司卡門渦街流量計演示卡門渦街流量計演示 氣體或液體管道氣體或液體管道及渦流發生錐體及渦流發生錐體本章小結本章小結 本章主要學習了電容傳感器工作原理、結構、本章主要學習了電容傳感器工作原理、結構、測量轉換電路以及的應用，同時介紹了壓力、測量轉換電路以及的應用，同時介紹了壓力、液位和流量的測量。液

49、位和流量的測量。 基本要求基本要求：掌握電容傳感器的工作原理、：掌握電容傳感器的工作原理、測量轉換電路以及應用范圍；掌握壓力、液位測量轉換電路以及應用范圍；掌握壓力、液位和流量的測量。和流量的測量。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路電容傳感器的誤差分析溫度對結構尺寸的影響溫度對結構尺寸的影響電容傳感器由于極電容傳感器由于極板板間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數不匹配的情況下在傳感器各零件材料線脹系數不匹配的情況下，溫度變化將溫度變化將導致極導致極板板間隙間隙發生發生較大的相對變化較大的相對變化，從而

50、產生很大的溫度誤從而產生很大的溫度誤差。差。在設計電容式傳感器時在設計電容式傳感器時，適當選擇材料及有關結構參數適當選擇材料及有關結構參數，從，從而實現而實現溫度誤差溫度誤差的的補償補償。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路電容傳感器的誤差分析溫度對介質的影響溫度對介質的影響溫度對介電常數的影響隨介質不同而溫度對介電常數的影響隨介質不同而變化，變化，空氣及云空氣及云母的介電常數溫度系數近似為零母的介電常數溫度系數近似為零，而某些液體介質而某些液體介質，如硅油、醫麻油、煤油等如硅油、醫麻油、煤油等，其介電常數的溫度系數較其介電常數的溫度系數較大。例如煤油的介電常數的

51、溫度系數可達大。例如煤油的介電常數的溫度系數可達0.07%/0.07%/，若環境溫度變化將帶來溫度誤差若環境溫度變化將帶來溫度誤差，故采用此類介質時故采用此類介質時必須注意溫度變化造成的誤差。必須注意溫度變化造成的誤差。 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路電容傳感器的誤差分析邊緣效應邊緣效應當極板厚度與極距之比相對較大時當極板厚度與極距之比相對較大時，邊緣效應的影邊緣效應的影響就不能忽略響就不能忽略。危害：危害：邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。而且產生非線性。消除措施：消除措施：1.1.增大初始電容增大初

52、始電容 2. 2.加裝等位環，加裝等位環，如如左左圖所示。圖所示。帶有保護環的電容傳感器原理結構帶有保護環的電容傳感器原理結構 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路電容傳感器的誤差分析寄生電容的影響寄生電容的影響 產生原因：極板與周圍物體及電纜本身均產生產生原因：極板與周圍物體及電纜本身均產生電容，電容，與傳感器電容相并聯與傳感器電容相并聯，嚴重影響嚴重影響傳傳感器感器的輸出特性的輸出特性。 消除措施：消除措施：1.1.整體屏蔽法整體屏蔽法整體整體屏蔽屏蔽的的關鍵在于正確選取接地點關鍵在于正確選取接地點。整體屏蔽法是一種較好的整體屏蔽法是一種較好的方法方法，但將使

53、總體結構復雜化。但將使總體結構復雜化。 但仍存在問題但仍存在問題：(1)當當屏蔽屏蔽線很長，其本身電容很大，且大于傳感線很長，其本身電容很大，且大于傳感器電容量，導致傳感器靈敏度下降；器電容量，導致傳感器靈敏度下降；(2)(2)電纜電容量因放置位置電纜電容量因放置位置和形狀的不同而不同，造成傳感器特性不穩定和形狀的不同而不同，造成傳感器特性不穩定。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第二節 電容傳感器的測量轉換電路電容傳感器的誤差分析寄生電容的影響寄生電容的影響優點：優點：消除了芯線對內屏蔽消除了芯線對內屏蔽層層的容性漏電的容性漏電，克服了寄生電容的影響克服了寄生電容的影響；驅動放大器是一驅動放

54、大器是一個輸入阻抗很高個輸入阻抗很高、具有容性負載具有容性負載、放大倍放大倍數為數為1 1的同相放大器的同相放大器。缺點：缺點：要在很寬的頻帶上嚴格實現放大倍要在很寬的頻帶上嚴格實現放大倍數等于數等于1 1，且輸出與輸入的相移為零。且輸出與輸入的相移為零。2.2.驅動電纜法驅動電纜法 是一種等電位屏蔽法是一種等電位屏蔽法，是解決電纜電容影響，是解決電纜電容影響問題的有效辦法。問題的有效辦法。如如右右圖圖所示所示。在電容傳感器在電容傳感器與測量電路的前置級之與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為并接入增益為1 1的驅動的驅動放大器放大器。驅動電纜法原理驅動電纜法原

55、理 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第五節 電容壓力傳感器在測量地面沉降中的應用技術指標水井最大深度：水井最大深度：70m最小地下水埋深：最小地下水埋深：10m最大地下水埋深：最大地下水埋深：50m最大水位變率：不大于最大水位變率：不大于0.1m/min水位測量允許誤差：水位測量允許誤差：0.2m驗收標準：符合驗收標準：符合GB/T11828.2國家標準國家標準第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第五節 電容壓力傳感器在測量地面沉降中的應用水井水位測量方案壓力法采用投入式壓力變送器來測量井底的水壓，通過一定壓力法采用投入式壓力變送器來測量井底的水壓，通過一定的換算公式得到水井的水位。壓力變送器

56、無活動部件，可靠的換算公式得到水井的水位。壓力變送器無活動部件，可靠性高，使用壽命長，能直接投入被測介質中，從水、油到黏性高，使用壽命長，能直接投入被測介質中，從水、油到黏度較大的糊狀物都可以進行高精度的測量，不易受被測介質度較大的糊狀物都可以進行高精度的測量，不易受被測介質氣泡、沉積、污泥的影響，安裝也很方便。本項目選用投入氣泡、沉積、污泥的影響，安裝也很方便。本項目選用投入式壓力變送器來測量水井水位。式壓力變送器來測量水井水位。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第五節 電容壓力傳感器在測量地面沉降中的應用投入式壓力變送器的選型陶瓷電容式液位變送器陶瓷電容式液位變送器被測介質的壓力直接作用于傳感器的陶瓷圓膜片，使膜片上被測介質的壓力直接作用于傳感器的陶瓷圓膜片，使膜片上產生與介質壓力成正比的微小位移。在額定工作狀態下，膜產生與介質壓力成正比的微小位移。在額定工作狀態下，膜片最大位移不大于片最大位移不大于0.05mm。內置溫度傳感