电容传感器重点课件

2.2 2.2 电容传感器电容传感器 6/18/202412.2 电容传感器 8/9/20231将将被测量的变化被测量的变化转化为转化为电容量电容量变化变化工作原理工作原理:2.2 2.2 电容传感器电容传感器6/18/20242将被测量的变化转化为电容量变化工作原理:2.2 电容传感+A 两平行极板组成的电容两平行极板组成的电容器器,它的电容量为它的电容量为:极板间的距离极板间的距离 :极板间介质的相对介极板间介质的相对介电常数电常数 A:A:极板面积极板面积第一节第一节 电容式传感器工作原理及结构形式电容式传感器工作原理及结构形式 0:真空真空介电常数介电常数6/18/20243+A 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:极板第一节第一节 电容式传感器工作原理及结构形式电容式传感器工作原理及结构形式上式中，哪几个参量是变量？可以上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？做成哪几种类型的电容传感器？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6/18/20244第一节 电容式传感器工作原理及结构形式 第一节第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式电容式传感器的工作原理及结构形式改变改变A A、三个参量中的任意一个量，三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量均可使平板电容的电容量C C 改变。改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。型的电容传感器。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6/18/20245第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式 （1 1）角位移型）角位移型+一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器6/18/20246（1）角位移型+一、变面积式电容传感器8/9/20236（2 2）平面线位移型）平面线位移型一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器6/18/20247（2）平面线位移型一、变面积式电容传感器8/9/20237（3 3）柱面线位移型）柱面线位移型.一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器6/18/20248（3）柱面线位移型.一、变面积式电容传感器8/9/20238变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数（性的，灵敏度是常数（较低较低）。这一类传）。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量（参量（较大较大）。）。请画出变面积式电容传感器的输出特请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！性曲线！6/18/20249变面积式电容传感器的特性 变面积式电二、变极距式电容传感器二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，改变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d0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距式式电电容容器器的行程较小的行程较小(0.1m-1mm)的缺点。的缺点。6/18/202410二、变极距式电容传感器 当动极板受二、变极距式电容传感器二、变极距式电容传感器 6/18/202411二、变极距式电容传感器 8/9/202311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 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小些还是小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较小时，它的测量较小时，它的测量范围变大还是变小？范围变大还是变小？a）结构示意图结构示意图b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板2动极板动极板6/18/202412变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，为三、变介电常数式电容传感器三、变介电常数式电容传感器6/18/202413三、变介电常数式电容传感器8/9/202313 但通常变介电常数式电但通常变介电常数式电容传感器采用双圆柱桶状，容传感器采用双圆柱桶状，如下所示：如下所示：L-xx2rR016/18/202414 但通常变介电常数式电容传感器采用双圆柱桶状，如三、变介电常数式电容传感器三、变介电常数式电容传感器表表1 1 几种介质的介电常数几种介质的介电常数6/18/202415三、变介电常数式电容传感器表1 几种介质的介电常数8/9/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 根据根据表表1 1，分析，分析不同介质对变介电常数电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？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？可以用于测量什么非电量？6/18/202416变介电常数式电容传感器的用途 根据表第二节第二节 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 （调频电路调频电路 ）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 振荡振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容电容Cx 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 产生产生相应的变化。相应的变化。6/18/202417第二节 电容式传感器的测量转换电路（调频电路）调频（调频（FM）电路）电路6/18/202418调频（FM）电路 8/9/202318第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：电容器的容量受三个因素影响，即：极距极距x、相对面积、相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定。固定其中两个变其中两个变量，电容量量，电容量C 就是另一个变量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，就可以成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。测的目的。6/18/202419第三节 电容式传感器的应用 电容器一、电容式液位计一、电容式液位计棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容与导电液体之间的电容变大。变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套6/18/202420一、电容式液位计 棒状电极（金属管）外电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位限位传感器与液位变送器的区别在于：液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输电平。但也可以选择输出为高电平的型号。出为高电平的型号。6/18/202421电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器的液位限位传感器的液位限位传感器的设定设定 智能化液位传感器的智能化液位传感器的设定方法十分简单：设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。出报警信号和控制信号。设定按钮设定按钮6/18/202422液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方法十智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源指示灯指示灯6/18/202423智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电二、硅微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作惯性力或重力加速度。其工作电压为电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测，加速度测量范围为数个量范围为数个g g，可输出与加，可输出与加速度成正比的电压也可输出占速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM脉脉冲。冲。6/18/202424二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加电容式加速度传感器在汽车中的应用电容式加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测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超过设定值时，得的负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 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，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。托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊6/18/202425电容式加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用使用电容式加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经使用电容式加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气控制系统使气囊迅速充气。6/18/202426汽车气囊的保护作用 使用电容式加速度传感器可以汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用6/18/202427汽车气囊对驾驶员的保护作用8/9/202327利用电容式加速度传感器实利用电容式加速度传感器实现现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置6/18/202428利用电容式加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹传感器安装位三、湿敏电容三、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为介电常数大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电容量增大。），所以电容量增大。6/18/202429三、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的湿敏电容湿敏电容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜6/18/202430湿敏电容外形吸水高分子薄膜8/9/202330湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形6/18/202431湿敏电容模块及传感器外形8/9/202331湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型6/18/202432湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型8/多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 6/18/202433多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 8/9/202333四、电容式油量表四、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表：在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。6/18/202434四、电容式油量表 机械式油量表：在油箱内，装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 m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Cx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RP的的滑滑动动臂臂移移动动。当当RP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，伺伺服服电电动动机机停停转转，指指针针停停留留在在新新的的位位置置（x 处）。处）。6/18/202435电容式油量表 当油箱中注满油时，液位 上页所示的油量表在倾斜状态时可以使上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？用吗？为什么？该油该油量表可量表可用于飞用于飞机油箱机油箱6/18/202436 上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？五、电容式接近开关五、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）饲料、人体等）；可以是接地的，也；可以是接地的，也可以是不接地的。可以是不接地的。调节接近开关尾部调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。不同来改变动作距离。6/18/202437五、电容式接近开关 被检测物体可以是电容式接近开关外形电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式6/18/202438电容式接近开关外形齐平式非齐平式8/9/202338非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。安装支架，易损坏。6/18/202439非齐平式接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于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）6/18/202440全密封防水式远距离式（大量程）8/9/202340电容接近开关的规格电容接近开关的规格6/18/202441电容接近开关的规格8/9/202341电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用6/18/202442电容式接近开关在液位测量控制中的使用8/9/202342 电容式接近开关在液位物位测电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用量控制中的使用6/18/202443 电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用8/9/20 电容式接近开关在物位测量控制中的电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示使用演示6/18/202444 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示8/9/20不同材料的非金属检测物对电容式接近开不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响关动作距离的影响6/18/202445不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响8/9/