第五章電容傳感器本章學(xué)習(xí)電容傳感器的原理及應(yīng)用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。4/17/20241第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

電容傳感器的基本理想公式為4/17/20242第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式改變A、d、

三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。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。

電容傳感器的基本理想公式為4/17/20243一、變面積式電容傳感器圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。圖c是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移

度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。4/17/20244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。請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！4/17/20245二、變極距式電容傳感器

當(dāng)動(dòng)極板受被測物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0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程較小的缺點(diǎn)。4/17/20246變極距式電容傳感器的特性曲線

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時(shí)，它的測量范圍變大還是變小？a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—?jiǎng)訕O板

4/17/20247三、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，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。表5-1幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)4/17/20248變介電常數(shù)式電容傳感器的用途

根據(jù)表5-1，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？4/17/20249第二節(jié)電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

（調(diào)頻電路）調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？4/17/202410調(diào)頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？

4/17/202411第三節(jié)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x、相對(duì)面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個(gè)變量，電容量C就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的。

4/17/202412一、電容式液位計(jì)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)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套4/17/202413電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：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。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。4/17/202414液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：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)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕4/17/202415智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈4/17/202416二、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，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。4/17/202417微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%4/17/202418硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號(hào)處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）4/17/202419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C1、C2。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，所以相當(dāng)于懸臂梁。

當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2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ΔC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)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動(dòng)或加速度。4/17/202420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。

裝有傳感器的假人氣囊4/17/202421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。4/17/202422汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用4/17/202423利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置4/17/202424三、濕敏電容

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。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)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

4/17/202425濕敏電容外形吸水高分子薄膜4/17/202426濕敏電容模塊及傳感器外形4/17/202427濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型4/17/202428多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

4/17/202429四、電容式油量表

機(jī)械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。4/17/202430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

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）。該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？4/17/202431上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時(shí)可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機(jī)油箱4/17/202432五、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。4/17/202433電容式接近開關(guān)外形齊平式非齊平式4/17/202434非齊平式接近開關(guān)的安裝非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易損壞。4/17/202435全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）4