上節(jié)回顧:本節(jié)主要內(nèi)容:1.電容傳感器1.電阻應變式傳感器2.固態(tài)壓阻式傳感器3.熱電阻式傳感器4.熱敏電阻傳感器2/6/20231第3章電容傳感器本章學習電容傳感器的原理及應用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。2/6/20232簡介電容式傳感器是將被測非電量（如尺寸、壓力等）的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。

壓差變送器

接近開關

三軸加速度傳感器

物位開關

2/6/20233第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結構形式改變A、d、三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個參量中的兩個，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2/6/20235變面積型電容傳感器

平面形直線位移式圓柱形直線位移式角位移式2/6/20236一、變面積式電容傳感器圖a是平板形直線位移式結構，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，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，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結構。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。2/6/20237二、變極距式電容傳感器

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

實際使用時，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。2/6/20239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，應使當d0小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變小？a）

結構示意圖b）電容量與極板距離的關系1—定極板2—動極板

2/6/202310三、變介電常數(shù)式

因為各種介質的相對介電常數(shù)不同，所以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。表5-1幾種介質的相對介電常數(shù)2/6/202311第二節(jié)電容式傳感器的測量轉換電路2/6/202313測量轉換電路-電橋

Cx為電容傳感器，沒有變化時，輸出電壓U0=0。Cx變化時，U0≠0，由此可測得電容的變化值。相鄰的兩臂接入差動式電容傳感器。空載時的輸出電壓為

2/6/2023142/6/2023152/6/2023172/6/202318第二節(jié)電容式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LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應的變化。

式中哪些量是變量？2/6/202319調頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？

TTL高電平3.6-5V,低電平0-2.4V2/6/202321運算放大器式測量轉換電路

輸出電壓如果傳感器為平板形電容器，則此電路能解決變極距型電容式傳感器的非線性問題

2/6/2023222/6/202323第三節(jié)電容式傳感器的應用電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A和極間介電常數(shù)

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

2/6/2023252/6/202326電容式壓差傳感器

1-硅油2-隔離膜3-焊接密封圈4-測量膜片（動電極）5-固定電極

結構

外形

應用測量液位

2/6/202327二、硅微加工加速度傳感器

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（振動），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。2/6/202329微加工三軸加速度傳感器技術指標：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2/6/202330硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

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）2/6/202331利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結構。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。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微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。

當它感受到上下振動時，C1、C2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ΔC轉換成直流輸出電壓。它的激勵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，且懸臂梁的質量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。

如果在殼體內(nèi)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。2/6/202332加速度傳感器在汽車中的應用加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動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2/6/202333汽車氣囊的保護作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2/6/202334汽車氣囊對駕駛員的保護作用2/6/2023353.應用-電容式測厚儀

在被測帶材的上下兩側各裝設一塊面積相等且與帶材距離相等的極板，這樣兩極板與帶材之間形成兩個電容C1、C2。

1-帶材2-軋輥3-工作電極

帶材在軋制過程中若發(fā)生厚度變化，將引起電容的變化，再調頻測量電路將電容的變化檢測出來，經(jīng)過單片機處理，即可由顯示面板顯示出帶材厚度的變化。

2/6/2023362/6/2023372/6/202338一、電容式液位計

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套2/6/202339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，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。2/6/202340液位限位傳感器的設定智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設定按鈕2/6/202341智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈正常工作指示燈設定按鈕電源指示燈2/6/202342四、電容式油量表

機械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2/6/202343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m處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx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），同時帶動RP的滑動臂移動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉，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)？2/6/202344電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示2/6/202345不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關動作距離的影響2/6/202346電容式濕度傳感器以鋁棒和能滲透水的黃金膜為極板，極板間充以氧化鋁微孔介質。多孔氧化鋁可以從含有水分的氣體中吸收水蒸氣或從含水液體介質中吸收