第4章电容式传感器.ppt

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1、1,第4章 电容式传感器,电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 优点： 结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作； 可非接触测量； 灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量； 极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度； 缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。,4.1 电容式传感器的工作原理及结构类型 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 硅电容式压力传感器 4.5 电容式传感器的测量电路 4.6 电容式传感器的应用,2,4.1 电容式传感器的工作原理及结构

2、类型,一、工作原理及结构类型 二、变间隙式电容传感器 三、变面积式电容传感器 四、变介电常数式电容传感器 五、电容式传感器的分类,3,一、工作原理及结构类型 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。 多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应（初始d0很小时，可忽略）， 电容器的电容量 ：,S 两平行极板所覆盖的面积； d 两平行极板之间的距离； 极板间介质的介电常数； 0 真空介电常数（8.85410-12 Fm-1） r 介质相对真空的介电常数， r空气1，其它介质r 1。,4,当被测量使得d、S或发生变化时，电容量C也随之变化。 一般保持其中两个参数不变

3、而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。,d、S、 (r)变化,C变化,U（或I、f）变化,5,电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介电常数式。,（a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式； （g）、（h）变介电常数式,6,二、变间隙式电容传感器,设初始电容,若电容器极板距离由初始值d0变化了d，d1 = d0d， 其电容量,7,当dd0时，,此外由上式和曲线图可以看出，d0 越小，灵敏度越高，但非线性增加。,静态灵敏度：,这时C 与d 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成d 在极小的范围内变化。,

4、相对非线性误差：,可简化为,8,d0 减小会导致非线性误差增大，且 d0 过小时，容易引起电容器击穿。改善耐压性能的办法是在极板间放置高介电常数的材料（云母片、塑料膜等）。此时电容 C 变为,式中 g = 7云母的相对介电常数； 0 真空介电常数； dg 云母片的厚度； d0 空气气隙厚度。,云母的相对介电常数为空气的7倍，其击穿电压不小于103 kV/mm，而空气的击穿电压仅为3kV/mm，即使厚度为0.01mm 的云母片，它的击穿电压也不小于10kV/mm。因此有了云母片，极板之间的起始距离可以大大减小。同时分母中的dg/g 项是恒定值，它能使电容式传感器的输出特性的线性度得到改善，只要云

5、母片厚度选取得当，就能获得较好的线性关系。,9,一般变间隙式电容式传感器的起始电容在2030pF 之间，极板距离在25200 m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。 此类电容传感器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测0.01m 的线位移。 但是，这么小的极板距离使两极板间的静电引力会对位移的测量带来影响。为减少这种影响，同时进一步提高灵敏度，又可改善线性的常用方法是采用差动结构。,差动式变间隙电容传感器 在实际应用中，常常把传感器做成差动的形式。当动极板移动后，C1 和C2 成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小。,10,动极板上移：,初始位置时,电容总的变化为

6、：,电容相对变化为 ：,11,当 d /d0 1 时，略去高次项,近似成线性,静态灵敏度,相对非线性误差,使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。 减小静电引力的影响。 克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响。,灵敏度 提高一倍,非线性误差 降低了,12,三、变面积式电容传感器,包括角位移和线位移（平面线位移、圆筒线位移）,变面积式电容传感器输入输出成线性关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。,13,1. 角位移 当动极板有一个角位移时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当0 时，则,当0时，则,这种形式的传感器电容量C与角位

7、移是成线性关系的。,灵敏度：,（常数）,14,2. 平面线位移 极板起始覆盖面积为Sab，,沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边缘效应，改变后的电容量为,初始电容：,C与x成线性关系,15,增加极板长度b、减小极板间距d都可以提高灵敏度K ； 减小极板宽度a可提高相对灵敏度KC，而极板起始覆盖长度b与相对灵敏度KC无关。但 a不能太小，必须保证 ad，否则边缘不均匀电场影响将增大。,相对灵敏度,灵敏度,灵敏度、相对灵敏度均为常数。,平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距 d 变化，影响测量精度。因此在一般情况下，变面积式电容传感器常做成圆

8、筒形的。,16,3. 圆筒线位移 在初始的位置（即x0）时，动、定极板相互覆盖，此时电容量为,当动极板发生位移 x 后，其电容量为,即 C 与 x 基本上成线性关系。采用圆筒形电容器的原因，主要是考虑到动极板稍作径向移动时，不影响电容器的输出特性。 圆筒型电容器不能用作改变极距的传感器。 采用差动结构，可使灵敏度提高一倍。,17,n层重叠极板组成的多片型电容传感器具有类似的单片电容器的（n1）倍电容量。 多片型相当于一个大面积的单片电容传感器，但是它能缩小尺寸，也可提高灵敏度。对于同样位移x，单片电容器电容变化C，而多极板电容器电容变化为（n1）C 。,平板一极多板变面积电容式传感器,为提高初

9、始电容、分辨率和灵敏度，可制成一极多板的形式。,线位移,角位移,18,齿形极板,当极板的齿数为n时，,灵敏度为,是单极板的n倍。,移动x后,齿形极板也是多极板变面积式电容传感器。,圆筒形极板,19,四、变介电常数式电容传感器,（a）图为测电介质厚度x； （b）图为测位移量x； （c）图为测液面位置和液量； （d）图为根据介质的介电常数随温度、湿度、容量改变来测温度、湿度、容量等。,20,设在电极中无2 介质时的电容量为C0 ，即,表明电容量C与位移x成线性关系。,以（b）为例，其电容量为,式中 b 极板宽度。,21,电容式传感器,五、电容式传感器的分类,圆筒形传感器不能用作改变极距的位移传感器

10、。 一般来说，差动式要比单组式的传感器好。差动式传感器不但灵敏度高而且线性范围大，并具有较高的稳定性，抗干扰能力强。 为提高初始电容、分辨率和灵敏度，有些电容式传感器可制成一极多板的形式。,22,4.3 电容式传感器的等效电路,RP为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。,由等效电路可知，等效电路有一个谐振频率，通常为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正常工作。,RS代表串联损耗，即引线电阻、电容器支架和极板的电阻。这个损耗

11、在低频时是极小的，随着频率的增高，此值增大，但即使在几兆赫频率下工作时，此值仍很小。因此只有在很高的工作频率时，才加以考虑。 电感L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。它与电容器的结构和引线的长度有关。,23,4.4 硅电容式压力传感器,第2章中的压阻式传感器是当前半导体压力敏感器件的主流，它利用的是半导体的压阻效应。 若把半导体膜片在压力作用下的形变与电容器的电容量变化联系起来，可构成一种新型传感器，即硅电容式压力传感器。这种传感器温度稳定性好、耗电少、易于集成。,一、硅电容式压力传感器的结构 二、膜片形状与灵敏系数,24,一、硅电容式压力传感器的结构,硅电容式压力传感器的核心是构成一个

12、对压力敏感的电容器。,电容器的一个极板位于玻璃衬底下方，另一个极板位于十几微米厚的硅膜上。压力感知电容为CP。硅膜片是用各向异性腐蚀技术在几百微米厚硅衬底上从正反两面腐蚀形成的。两极板间距由从硅衬底正面腐蚀深度决定。间距可小到15m，这就是硅电容式压力传感器灵敏度高的重要原因。为避免上下铝极板短路，提高耐压，在中间淀积一层SiO2。目前玻璃衬底已用硅衬底替代，并用硅硅键合工艺。,用集成电路技术在做出硅膜片微型电容器的同时，还做出校正用电容器CR 。 IC 振荡电路把压力变化引起的电容变化转换为脉冲信号输出。,25,右图是另一种形式的硅电容式传感器。 首先在硅衬底上先制作下电极Al；然后淀积一层

13、 SiO2 ，用光刻方法形成 SiO2岛；再淀积一层 Si3N4 （氮化硅）或多晶硅，去掉 SiO2 岛（也可不去），就形成一个 Si3N4 或多晶硅薄膜腔；制作上电极，就形成一个半导体敏感电容器。 极板间距由 SiO2 岛和 Si3N4 （或多晶硅）厚度决定。目前，薄膜沉积技术趋于成熟，膜厚能严格控制。与膜片式比较，工艺简单，可避免各向异性腐蚀加工和阳极焊接键合等复杂工艺。,26,1. 圆形膜片 膜片半径为 a ，铝电极半径为 b （一般 b : a = 7 : 10），膜片厚为 h ，当膜片两侧无压差时，极板间距为d0。 此时电容量为,二、膜片形状与灵敏系数,硅电容式压力传感器的膜片形状有

14、圆形硅膜片和方形硅膜片两种。,当膜片两侧有压力差P 时，即有变化的压力作用在膜片外侧上，在膜片中心有最大位移 W（0）即d ，此时电容也变化为 Cx。 如 d0 2m ，a 500m ，b = 350m ，h = 20m ，硅片弹性模量E = 1.71011Nm2 ，则有,27,在1.013105 Pa 的压力差作用下，W(0) 0.77m，电容由C0 Cx,从上述实际尺寸和数值看出：,硅电容式压力传感器的集成元件尺寸很小，在压力作用下的电容量变化（绝对值）也很小。外界干扰信号、寄生电容、杂散电容等的影响是很大的。若把信号调理电路与敏感器件近距离做在同一芯片上，可减少干扰，使寄生电容小而稳定。

15、所以必须使硅电容式压力传感器集成化才有实际使用价值。,28,2. 方形膜片： 膜片尺寸为 aa，铝电极尺寸为 bb ，其余尺寸与圆形膜片相同。其压力差与位移的关系可用有限差分法分析，仍近似地有如电容式传感器的关系,式中， d为有效位移，它与膜片中心最大位移的关系为,定义压力灵敏系数为,方形膜片尺寸较大时受力分析较困难，且应力集中在膜片中心。在尺寸较小时，比圆形膜片位移量大，压力灵敏度高。,29,4.5 电容式传感器的测量电路,电容式传感器除采用电桥作为信号调理电路外，还可借助多种信号调理电路把微小的电容变化转换成与之成正比的电压、电流或频率输出。,一、运算放大器测量电路 二、电桥电路 三、二极

16、管T形网络 四、差动脉冲宽度调制电路 五、调频测量电路 六、谐振电路,30,一般运算放大器的放大倍数 K 非常大，而且输入阻抗 Zi 很高，运算放大器的这一特点可以作为电容传感器的比较理想的测量电路。 Cx 为电容传感器。a点为虚地点， 。Zi 很高， ，根据克希霍夫定律：,一、运算放大器测量电路,如果传感器是一只平板电容，则,运算放大器的输出电压与极板距离d 成线性关系。 注意：上式是在K、Zi的前提下得到的。由于实际的运算放大器的放大倍数K和Zi总是一个有限值，所以，该测量电路仍然存在一定的非线性误差；当K、Zi足够大时，这种误差相当小，可以使测量误差在要求范围之内。,31,优点： 解决了

17、单个变极距式电容传感器的非线性问题。 当在结构上不易采用差动电容时（例如在进行振动测量时，测量头为电容式传感器的定极板，而振动机械的任何一部分导电平面则作为动极板，两者组成单极板电容器传感器），那么这种方案较使用单极板的其它电路能获得更高的线性输出。 按这种原理已制出了能测出0.1m的电容式测微仪。 缺点： 此电路要求电源电压稳定，固定电容电容量稳定，并要求运放放大倍数与输入阻抗足够大。由于输出也为交流电压，需要精密整流变为直流电压输出。这些附加电路将使整个测量电路较为复杂。,在必须使用单个变极距电容传感器时采用此电路。,32,二、电桥电路,电容传感器包括在电桥内，C1 与C2 以差动形式接入

18、相邻两个桥臂，另两个桥臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去激励，最后经电流放大及相敏整流得到直流输出信号。 左图中Z1、Z2 可以是耦合的电感，这种电桥的灵敏度和稳定度较高，且寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作。 右图中另外两桥臂为次级线圈，使用元件少，桥路内阻小，应用较多。,电桥平衡条件为：,当差动电容的动极板移动d 时，电桥处于不平衡状态，输出电压为,33,三、二极管 T 形网络,美国麻省理工学院教授K.S.Lion在1963年提出了二极管双T形交流电桥，又称为二极管T形网络。 高频电源可以是对称方波或正弦波。,当电

19、源为正半周时, 二极管D1导通、D2截止, 电路可以等效为图（b）。 此时电容C1很快被充电至电压E，电源E经R1以电流I1向负载RL供电，与此同时电容C2经R2和RL放电电流为I2，流过RL的电流IL 为I1和I2之和；,电路工作原理：,34,在随后电源为负半周时，D2 导通、D1截止，电路可以等效为图（c）。此时电容C2很快被充电至电压E，电源E 经R2以电流I2 向负载RL供电，与此同时电容C1经R1和RL放电电流为I1，流过RL的电流IL 为I1和I2之和。 若D1、D2 的特性相同，R1R2，且C1C2 ，则流过RL 的电流 IL与IL的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内流过RL

20、的平均电流为零，RL上无电压输出。,35,若 C1 或 C2 变化（ C1 C2 ）时，流过 RL 的平均电流不为零，因而有信号输出。输出电压的平均值为,输出电压不仅与电源的频率 f 和其幅值E 有关，而且与T形网络中的电容C1 和C2 的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容C1 、C2 的函数。 C1 、C2 也可只有一个改变。,令,36,二极管T形网络特点 电源、传感器电容以及输出电路一端需要共地； 工作电平很高，二极管D1 和D2 尽量为理想二极管，要求特性完全相 同，均工作在伏安特性的线性区； 电路灵敏度高，但与电源的幅值和频率有关，因此电源需稳压稳频； 线路十分简单，不需附加

21、相敏解调器，即能获得高电平的直流输出； 输出阻抗与R1 和R2 同数量级，而与电容C1 和C2 无关，适当选择电阻 值，则输出电流可用毫安表或微安表直接测量； 负载电阻RL 将影响电容放电速度，作动态测量时应取值小一些，如 RL =1k 就可作动态测量；该网络能用于高速机械运动量的测量； 非线性误差很小； 传感器的频率响应取决于电源的频率。,37,四、差动脉冲宽度调制电路, 组成：比较器A1、A2，双稳态触发器，差动电容传感器C1、C2以及R1、R2、D1、D2 构成充放电回路。 条件： R1R2 ；D1、D2特性相同，工作在线性区；工作电源U1比较器的参考电压Ur。, 测量原理： 电源接通，

22、Q1，A点为高电位，通过R1对C1充电，UM上升，直到高于Ur时比较器A1产生脉冲使双稳态触发器翻转，A点变为低电位，C1通过D1迅速放电使UM接近零电位，此时B点为高电位，通过R2对C2充电，UN上升，直到高于Ur时比较器A2产生脉冲使双稳态触发器重新翻转，,38,C1C2 时，C1 和C2 充电时间相同，波形如图(a)，输出电压uAB为等宽矩形波（T1T2），平均电压值为零。 C1 和C2 值不相等时，假设C1C2，则C1 和C2 充电时间发生变化，电压波形如图(b)。uAB为不等宽矩形波（T1 T2），平均电压值不为零(Uo0)，C1、C2相差越大，此值越大。经低通滤波器滤波后获得直流输

23、出电压Uo。,A点变为高电位，B点变为低电位，如此周而复始。,C1C2，T1T2，Uo0。,39,对平行板变极距电容器,当差动电容C1C2C0， 即d1d2d0时，Uo0； 若C1C2，C1C2， 即d1d0d，d2d0+d，则,若为差动变极板面积电容传感器,特点： (1) 输出电压与被测位移成线性关系； (2) 效率高，不需要解调器，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出； (3) 不需要载波； 调宽频率的变化对输出无影响； 不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求； 由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。,40,五、调频测量电路,调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分

24、。当被测量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化，将频率的变化在鉴频中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。也可以直接通过计数器测定其频率值。 （输入 C f U）,调频接收系统分为直放式调频（a）和外差式调频（b）两种类型。 外差式调频线路比较复杂，但是性能远优于直放式调频电路。其主要优点是选择性高，特性稳定，抗干扰性能强，灵敏度高。,41,调频振荡器的振荡频率由下式决定：,式中 L 振荡回路的电感； C总电容，CCl+Cc+C0C； 其中 C1振荡回路的固有电容； Cc传感器的引线分布电容； C0C传感器的电容。 当被测信号为0时， C 0，则 CCl

25、+Cc+C0，所以振荡器有一个固有频率,当被测信号不为0时，即C0，振荡频率有相应变化，此时，频率为,优点： 灵敏度高，可测量0.01m甚至更小位移； 抗干扰能力强； 能获得高电平直流信号（伏特数量级）或频率数字信号（易用于数字仪器和计算机接口）； 缺点： 受温度影响大 。,42,六、谐振电路,电容传感器C3 作为谐振回路中（L2、C2、C3）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容C3 发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化又表现为整流器电流的变化。于是，该电流经过放大后即可指示输入量的大小。 为了获得较好的线性关系、一般谐振电路

26、的工作点选在谐振曲线的一边，即最大振幅70附近的地方，且工作范围选在 BC 段内。,优点：比较灵敏。缺点： （1）工作点不容易选好，变化范围也较窄； （2）传感器与谐振回路要靠近，否则电缆的杂散电容对电路影响较大； （3）为了提高测量精度，振荡器的频率稳定度要优于10-6的数量级。,43,4.6 电容式传感器的应用,电容式传感器因灵敏度高、响应时间短、结构简单、能在恶劣条件下工作、可非接触测量等优点，广泛应用于位移、振动、加速度、角度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。,一、转速测量 二、电容式差压传感器 三、电容式加速度传感器 四、电容式应变计

27、五、电容式荷重传感器,六、电容式振动、位移测量仪 七、电容测厚仪 八、变面积式电容压力变送器 九、电容式料位传感器 十、湿敏电容,44,一、转速测量,1 齿轮 （动极板） 2 定极 3 电容传感器 4 频率计,45,二、电容式差压传感器（差压变送器）,它由金属弹性测量膜片7与凹型绝缘体5（陶瓷、玻璃等）上金属膜6（镀金）组成两室结构，室内充满硅油。金属弹性膜片7为动极板，凹型绝缘体上的金属膜6为定极板，构成差动变间隙电容传感器。,1、4波纹隔离膜片；2、3基座； 5玻璃层；6金属膜；7弹性测量膜片,46,这种传感器的灵敏度和分辨率都很高。其灵敏度取决于初始间隙 d0 ，d0 越小灵敏度越高。其

28、动态响应主要取决于弹性膜片的固有频率。若接入差动电桥，输出电压与压力差成线性关系，且与介质的介电常数无关。,用途：测量压力差。 原理：当左右隔离膜片分别承受两个压力产生变形时，被测压力 通过隔离膜片及硅油导入空腔，施加在作为动极板的金属弹性膜片两侧。当这两个压力不同时，弹性膜片两侧有压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个定极板与动极板间的电容量。,47,三、电容式加速度传感器,左图是一种差动电容式加速度传感器的工作原理图。传感器由两个差动电容组成，上极板与悬臂梁构成 C1 ，悬臂梁与下极板构成 C2 。当加速度为零时，悬臂梁处在上、下极板的中间位置，C1C2 ；当有加速度存在时，

29、由Fma，有一惯性力F作用在悬臂梁上，悬臂梁产生变形，与两定极板的距离发生变化，于是 C1C2 。,a = 0 a 0,右图是另一种差动电容式加速度传感器的结构示意图。上下各有一固定电极2、1，作为上、下定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，上下端面磨平抛光后作为动极板。,48,1加速度测试单元 2信号调理电路 3衬底 4底层多晶硅（下电极） 5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）,电容式加速度传感器目前多采用微细加工技术制造，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。工作电压2.75.25V，加速度测量范围为数个g，灵敏度可达0.35mV/g/V。这种传感器和信号调理电路集成

30、在一起，组成加速度检测模块。可输出与加速度成正比的电压，也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。,它由三个多晶硅层组成差动电容，第一层和第三层是不动的，第二层是悬臂梁，它在加速度作用下是可运动的。,49,在被测体的两个固定点上，安装两个薄而低的拱形弧板，两个拱形弧板的曲率略有差别，两个长方形电极板固定在拱形弧板的中央。安装时应注意两个极板保持平行并平行于安装传感器的平面。 拱形弧板具有一定的放大作用，当两固定点受压缩（两点距离减小）或受拉伸（两点距离增大）而产生位置变化时，电容极板间距发生变化（受压缩时极距变小、受拉伸时极距变大），从而使电容值变化。 拱形弧板一般用镍合金制造。,四、电容式应

31、变计,对于某些被测物由于受力而产生的形变或受温度影响的膨胀、收缩，可以采用电容式形变传感器（或称电容式应变计）测量，以弥补某些条件下电阻应变片测量的不足。,50,在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变。 主要用于重负载。,五、电容式荷重传感器,51,六、电容式振动、位移测量仪,下图为DWY-3型振动、位移测量仪用于测量旋转轴的回转精度和振摆示意图。该仪器主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复机构的运动特性和定位精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度等。,52,七、电容测厚仪 （电容传感器在板材轧制装置中的应用）,

32、电容式测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况，该厚度量的变化现阶段常采用独立双电容测厚传感器来检测。它能克服两电容并联或串联式传感器的缺点。应用独立双电容传感器，通过对被测板材在同一位置、同一时刻实时取样能使其测量精度大大提高。独立双电容测厚传感器一般分为运算型电容传感器和频率变换型电容传感器两种。前者对 0.5 1.0mm 厚度的薄钢板进行测量，其测量误差小于20m ；后者其测量误差小于0.3m。,在被测带材的上、下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，极板与带材就构成了两个电容器C1和C2。把两块极板用导线连成一个电极，带材就是电容的另

33、一个电极，总电容CxC1C2，,53,运算型电容测厚传感器： 电容Cx与固定电容C0、变压器的次级L1 和L2 构成交流电桥。信号发生器提供变压器初级信号，经耦合作交流电桥的供桥电源。当板材的厚度相对要求值发生变化时，Cx 变化。板材变厚，d 减小，Cx增大；板材变薄，d 增大，Cx减小。此时电桥输出信号也将发生变化，变化量经耦合电容C 输出给运算放大器放大整流和滤波；再经差动放大器放大后，一方面由显示仪表读出该时的板材厚度，另一方面通过反馈回路将偏差信号传送给压力调节装置，调节轧辊间的距离，经不断调节，使板材厚度控制在一定误差范围内。,54,八、变面积式电容压力变送器,德国威格(VEGA)公

34、司生产的变面积式电容压力变送器,被测压力作用在金属膜片 1 上，通过中心柱 2 ，支撑簧片 3 ，使可动电极 4 随膜片中心位移而动作。可动电极 4 与固定电极 5 都是金属材质上切削成同心环形槽构成的，有套筒状突起断面呈梳齿形，在两电极交错重叠部分的面积决定电容量。固定电极 5 的中心柱 6 与外壳间有绝缘支架 7 ，可动电极 4 则与外壳连通。压力引起的极间电容变化由 6 引至电子线路、变为直流信号 420mA 输出。电子线路与上述可变电容安装在同一外壳中，整体小巧紧凑。,55,这种变送器可利用软导线悬挂在被测介质中，如左图。 亦可用螺纹或法兰安装在容器壁上，如右图。,56,测定电极安装在

35、罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。 当罐内放入被测物料时，由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。,九、电容式料位传感器,聚四氟乙烯外套,物料可以是液体，也可以是固体。 若物料导电的话，罐壁和测定电极要做绝缘处理。右图的棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管。,57,传感器的静电电容,式中： k 比例常数； s 被测物料的相对介电常数； 0 空气的相对介电常数； D 储罐的内径； d 测定电极的直径； h 被测物料的高度。,假定罐内没有物料时的传感器静电电

36、容为C0，放入物料后传感器静电电容为C1，则两者电容差为 C=C1 - C0 两介电常数差别越大，极径D与d相差愈小，传感器灵敏度就愈高。,液位测量也可用同轴内外金属管式液位计,动画演示,58,十、湿敏电容（变介电常数型电容传感器）,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介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。 目前成品湿敏电容主要使用两种吸湿性介质：多孔性氧化铝、高分子薄膜。,1.氧化铝湿敏电容,动画演示,59,2.高分子电容式湿度传感器,高分子薄膜式湿敏元件应用

37、的是平板电容器原理，在绝缘基片上依次形成下电极、感湿膜、上电极。感湿膜是聚酰亚胺高分子聚合物，它吸收环境中的水分子（也可释放），使其介电常数发生变化，从而引起电容量变化，达到测湿目的。 当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，感湿膜的介电常数随着其吸水量增加而增大，引起电容器电容值也增大，而吸水量多少又取决于湿度的大小，这样就可确定在一定温度下电容值与气体中相对湿度的函数关系。 湿敏元件电容值与相对湿度具有正比关系。,HS1100 厂商：HUMIREL,60,第4章作业,电容式传感器是如何分类的？ 为什么说必须使硅电容式压力传感器集成化才有实际使用价值？ 采用运算放大器作电容传感器的测量电路，其输出特性是否为线性？一般在什么情况下使用？ 电容式传感器极板间放置云母片的作用是什么？,