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1、传感器与检测技术第四章2023/1/5第1页，共46页，编辑于2022年，星期四4.2 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路24.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理14.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用32023/1/5第2页，共46页，编辑于2022年，星期四知识目标：知识目标：（1 1）了解电容式传感器的分类及特点。）了解电容式传感器的分类及特点。（2 2）掌握电容式传感器的工作原理及测量转换电路。）掌握电容式传感器的工作原理及测量转换电路。（3 3）熟悉电容式传感器在工程上的应用。）熟悉电容式传感器在工程上的应用。教学目标教学目标技能目标：技能目标：
2、（1 1）能够根据检测要求选择合适的电阻式传感器。）能够根据检测要求选择合适的电阻式传感器。（2 2）能够正确使用电容式传感器进行位移测量。）能够正确使用电容式传感器进行位移测量。（3 3）能够正确维护常用电子检测设备。）能够正确维护常用电子检测设备。2023/1/5第3页，共46页，编辑于2022年，星期四情感目标：情感目标：（1 1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。风。（2 2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。教学重难点教学重难点教学重点：教学重点：电容式传感器的工作原理
3、和应用。电容式传感器的工作原理和应用。教学难点：教学难点：电容式传感器的测量电路。电容式传感器的测量电路。2023/1/5第4页，共46页，编辑于2022年，星期四4.1 4.1 电电容式容式传传感器的工作原理感器的工作原理电容传感器的基本理想公式为：电容传感器的基本理想公式为：dA A:A:极极板正板正对对面面积积 d d:两极两极板板间间的距离的距离:两极两极板板间间介介质质的介的介电电常常数数 r r：相相对对介介电电常常数数 0 0：真真空介空介电电常常数数2023/1/5第5页，共46页，编辑于2022年，星期四 改变改变A A、d d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量
4、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C C 改变。固改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。变极距变极距(）型）型:(g):(g)、（、（h h）变面积型变面积型(A)(A)型型:(a):(a)、(b)(b)、(c)(c)、(d)(d)、(e)(e)、(f)(f)、变介电常数变介电常数()()型型:（i i）(l)(l)2023/1/5第6页，共46页，编辑于2022年，星期四4.1.14.1.1变变面面积积式式电电容容传传感器感器（a a）角位移式电容传感器）角位移式电容传感器 图图4-3 4-3 变面积式电容传感
5、器的原理图变面积式电容传感器的原理图 图图a a是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因而电容量也随之减小。就减小，因而电容量也随之减小。两极板间的电容：两极板间的电容：电容的变化量为：电容的变化量为：2023/1/5第7页，共46页，编辑于2022年，星期四（b b）直线位移式电容传感器）直线位移式电容传感器图图b b是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1 1可以左右移动，称为动极板。极板可以左右移动，称为动极板。极板
6、2 2固定不动，称为定极板。固定不动，称为定极板。两极板间的电容：两极板间的电容：电容的变化量为：电容的变化量为：2023/1/5第8页，共46页，编辑于2022年，星期四 变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。位移、尺寸等参量。请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！变面积式电容传感器的特性2023/1/5第9页，共46页，编辑于2022年，星期四4.1.24.1.2变极变极距式距式电电容容传传感器感器
7、当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量发生变化。，从而使电容量发生变化。实实际际使使用用时时，总总是是使使初初始始极极距距d d0 0尽尽量量小小些些，以以提提高高灵灵敏敏度度，但但这这也也带带来来了了变变极极距式电容器的行程较小的缺点。距式电容器的行程较小的缺点。电容的变化量为：电容的变化量为：两极板间的电容：两极板间的电容：若若 d/d01，则，则 1，即，即电容的变化量为：电容的变化量为：若若 d/d01，则，则 1，即，即电容的变化量为：电容的变化量为：若若 d/d01，则，则 1，即，即电容
8、的变化量为：电容的变化量为：2023/1/5第10页，共46页，编辑于2022年，星期四变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 a a）结构示意图结构示意图 b b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1 1定极板定极板 2 2动极板动极板 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小些还是大些？小些还是大些？2023/1/5第11页，共46页，编辑于2022年，星期四图4-5 两极板间采用云母片作为介质的电容2023/1/5第12页，共46页，编辑于2022年，星期四图图4-6 4-6 差动平板式电容传感器原理图差动平
9、板式电容传感器原理图 C-CC-CC+CC+C2023/1/5第13页，共46页，编辑于2022年，星期四差动的好处灵敏度得到一倍的改善灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善线性度得到改善抵消外界的影响抵消外界的影响2023/1/5第14页，共46页，编辑于2022年，星期四4.1.34.1.3变变介介电电常常数数式式电电容容传传感器感器 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。容量也就不同。表表4-1 4-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数2023/1/
10、5第15页，共46页，编辑于2022年，星期四变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 根据表根据表4-14-1，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？图图4-7 4-7 变介电常数式电容传感器的原理图变介电常数式电容传感器的原理图2023/1/5第16页，共46页，编辑于2022年，星期四4.2 4.2 电电容式容式传传感器的感器的测测量量转换电转换电路路4.2.
11、1 4.2.1 桥桥式式电电路路1.1.单单臂臂桥桥式式电电路路（a a）单臂桥式电路）单臂桥式电路图图4-8 4-8 电容式传感器的桥式电路电容式传感器的桥式电路平衡条件：平衡条件：2023/1/5第17页，共46页，编辑于2022年，星期四2.2.差差动桥动桥式式电电路路（b）差动桥式电路图4-8 电容式传感器的桥式电路差动桥式电路的输出电压差动桥式电路的输出电压U Uo o与电容的变化量与电容的变化量 呈线性关系。呈线性关系。2023/1/5第18页，共46页，编辑于2022年，星期四4.2.24.2.2调频电调频电路路 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为 LC LC
12、振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容电容C C0 0 发生变化，就使振荡器的频率发生变化，就使振荡器的频率 f f 产生相应的变化。产生相应的变化。电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？式中哪些量是变量？电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？式中哪些量是变量？2023/1/5第19页，共46页，编辑于2022年，星期四图图4-9 4-9 调频电路的原理图调频电路的原理图202023/1/5第20页，共46页，编辑于2022年，星期四当被测信号为零时，调频振荡器的固有频率（一般应选在当被测信号为零时，调频振荡器的固有频率（一
13、般应选在1 MHz1 MHz以下）为以下）为振荡电路的总电容一般包括电容式传感器的电容振荡电路的总电容一般包括电容式传感器的电容 、谐振电路中的固有、谐振电路中的固有电容电容C C1 1和电缆电容和电缆电容C Cc c。当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，0 0，调频振荡器的频率，调频振荡器的频率调频振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波。调频振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波。2023/1/5第21页，共46页，编辑于2022年，星期四用调频系统作为电容式传感器的测量转换电路主要有以下特点：用调频系统作为电容式传感器的测量转换电路主要有以下特点：（1）抗外来干
14、扰能力强。）抗外来干扰能力强。（2）特性稳定。）特性稳定。（3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）。）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）。（4）因为是频率输出，所以易用于数字仪器和）因为是频率输出，所以易用于数字仪器和计算机接口。计算机接口。2023/1/5第22页，共46页，编辑于2022年，星期四4.2.3 4.2.3 运运算放大器算放大器电电路路由于运算放大器电路的放大倍数很大，输入阻抗很高，输出电阻小，因而采用运由于运算放大器电路的放大倍数很大，输入阻抗很高，输出电阻小，因而采用运算放大器电路作为电容式传感器的测量转换电路是比较理想的。算放大器电路作为电容式传感器的测量转换电路是比
15、较理想的。图图4-10 4-10 运算放大器电路的原理图运算放大器电路的原理图2023/1/5第23页，共46页，编辑于2022年，星期四由运算放大器电路的工作原理可得2023/1/5第24页，共46页，编辑于2022年，星期四4.2.4 4.2.4 二二极极管管双双T T形形电桥电电桥电路路图4-11 二极管双T形电桥电路的原理图2023/1/5第25页，共46页，编辑于2022年，星期四若若C C1 1或或C C2 2变化，则在一周期内流过变化，则在一周期内流过R RL L的平均电流不为零，因此，有电压信号输的平均电流不为零，因此，有电压信号输出，输出电压在一个周期内的平均值为出，输出电压
16、在一个周期内的平均值为 当当 为已知时，则为已知时，则 为一常数，故上式为一常数，故上式又可写成又可写成 2023/1/5第26页，共46页，编辑于2022年，星期四4.3 4.3 电电容式容式传传感器的感器的应应用用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x x、相对面、相对面积积A A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，电容量量，电容量C C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过
17、测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。的。2023/1/5第27页，共46页，编辑于2022年，星期四图4-12 电容测厚仪的工作原理 1扎轮；2定极板；3被测金属带材；4导向轮4.3.14.3.1电电容容测测厚厚仪仪2023/1/5第28页，共46页，编辑于2022年，星期四在被测金属带材在被测金属带材3 3的上下两侧各放置一块面积相的上下两侧各放置一块面积相等、与带材距离相等的定极板等、与带材距离相等的定极板2 2，这样定极板，这样定极板2 2与被测金属带材与被测金属带材3 3之间就形成了两个电容之间就形成了两个电容C C1 1和和C C
18、2 2。把两块极板用导线连接起来就相当于。把两块极板用导线连接起来就相当于C C1 1与与C C2 2并联，总电容为并联，总电容为C C1 1+C+C2 2。如果被测金属。如果被测金属带材带材3 3的厚度发生变化，则引起电容量的变化，的厚度发生变化，则引起电容量的变化，用测量转换电路将电容的变化检测出来，经过放用测量转换电路将电容的变化检测出来，经过放大即可由电表显示测量结果。大即可由电表显示测量结果。2023/1/5第29页，共46页，编辑于2022年，星期四图4-13 差动电容式压力传感器的结构图304.3.2 4.3.2 电电容式容式压压力力传传感器感器2023/1/5第30页，共46页
19、，编辑于2022年，星期四 （a）（b）图4-14 电容式加速度传感器的结构示意图4.3.3 4.3.3 电电容式加速度容式加速度传传感器感器2023/1/5第31页，共46页，编辑于2022年，星期四硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压力或重力加速度。其工作电压为为2.72.75.25 V5.25 V，加速度测量范，加速度测量范围为数个围为数个g g，可输出与加速度成，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比正比的电压也可
20、输出占空比正比于加速度的于加速度的PWM PWM 脉冲。脉冲。2023/1/5第32页，共46页，编辑于2022年，星期四硅微加工加速度传感器原理 1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路 3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极）5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）2023/1/5第33页，共46页，编辑于2022年，星期四 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容底上，制造出三个多晶硅电
21、极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将壳体中的信号处理电路将 C C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后
22、很小，且悬臂梁的质量很轻，所体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达以频率响应可达1 kHz1 kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10 g 10 g 以上。以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。方向的振动或加速度。2023/1/5第34页，共46页，编辑于2022年，星期四加速度传感器在汽车中的应用 装有传感器的假人装有传感器的假人气囊气囊35 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值加速度传
23、感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。2023/1/5第35页，共46页，编辑于2022年，星期四汽车气囊对驾驶员的保护作用2023/1/5第36页，共46页，编辑于2022年，星期四机械式油量表：4.3.4 4.3.4 油箱油量油箱油量检测检测系系统统 在油箱内，装有类似卫在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通生间水箱里的
24、浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指盘电位器，由电流表指示出油量。示出油量。2023/1/5第37页，共46页，编辑于2022年，星期四电容式油量表电容式油量表 当当油油箱箱中中注注满满油油时时，液液位位上上升升，指指针针停停留留在在转转角角为为 mm处处。当当油油箱箱中中的的油油位位降降低低时时，电电容容传传感感器器的的电电容容量量CxCx减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡，伺伺服服电电动动机机反反转转，指指针针逆逆时时针针偏偏转转（示示值值减减小小），同同时时带带动动RPRP的的滑滑动动臂臂移移动动。当当RPRP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又
25、达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x x 处）。处）。该油量表属于该油量表属于开环系统还是开环系统还是闭环系统？闭环系统？2023/1/5第38页，共46页，编辑于2022年，星期四图图4-17 圆柱形电容式接近开关的结构示意图圆柱形电容式接近开关的结构示意图1检测电极；检测电极；2充填树脂；充填树脂；3测量转换电路；测量转换电路；4塑料外壳；塑料外壳；5灵敏度调节电位器；灵敏度调节电位器；6工作指示灯；工作指示灯；7信号电缆信号电缆394.3.5 4.3.5 电电容式接近容式接近开关开关2023/1/5第39页，共46
26、页，编辑于2022年，星期四2.2.电电容式接近容式接近开关开关的工作原理的工作原理当被测物体接近检测电极时，被测物体会受到静电感应而产生极化现当被测物体接近检测电极时，被测物体会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越接近检测电极，检测电极上的电荷就越多。由于检测象，被测物体越接近检测电极，检测电极上的电荷就越多。由于检测电极的静电电容电极的静电电容C CQ QU U，所以电荷的增多，使电容，所以电荷的增多，使电容C C随之增大，从而使随之增大，从而使高频振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。高频振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。2023/1/5第40页，共46页，编辑于2022年，星期四电容式接
27、近开关外形齐平式非齐平式非齐平式2023/1/5第41页，共46页，编辑于2022年，星期四非齐平式接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。2023/1/5第42页，共46页，编辑于2022年，星期四全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）2023/1/5第43页，共46页，编辑于2022年，星期四3.3.电容式接近开关的应用电容式接近开关的应用1 1）谷物高度测量谷物高度测量2023/1/5第44页，共46页，编辑于2022年，星期四2）接近报警器）接近报警器图4-20 接近报警器的电路原理图452023/1/5第45页，共46页，编辑于2022年，星期四2023/1/5第46页，共46页，编辑于2022年，星期四