5_1 第五章 电容传感器
CH5电容式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答
第5章电容式传感器一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。
A. 保持不变B.增大一倍C. 减小一倍D.增大两倍2、差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。
A．C1-C2 B. C1-C2/C1+C2C. C1+C2/C1-C2D. ΔC1/C1+ΔC2/C23、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A．灵敏度K0增加 B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加 D．非线性误差减小4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。
A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小C．非线性误差增加 D．非线性误差不变5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。
A．变间隙式 B．变面积式C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式6、电容式传感器通常用来测量（）。
A．交流电流 B．电场强度 C．重量 D．位移7、电容式传感器可以测量（）。
A．压力 B．加速度 C．电场强度 D．交流电压8、电容式传感器等效电路不包括（）。
A. 串联电阻B. 谐振回路C. 并联损耗电阻D. 不等位电阻9、关于差动脉冲宽度调制电路的说法正确的是（）。
A. 适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器B. 适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性C. 适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性D. 适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A．调频测量电路 B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路11、在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A．仅电源电压的幅值和频率B．电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C．仅T型网络电容C1和C2大小D．电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍A．1 B．2 C．3 D．0二、多项选择题1、极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距（）。
检测技术第5章部分练习答案
第五章电容传感器思考题与习题答案1．单项选择题1）在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入___C___，可测得最大的电容量。
A. 塑料薄膜B. 干的纸C. 湿的纸 D .玻璃薄片2）电子卡尺的分辨力可达0.01mm，行程可达200mm，它的内部所采用的电容传感器型式是___B___。
A. 变极距式B. 变面积式C. 变介电常数式3）在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中___B___。
A. 电容和电感均为变量B. 电容是变量，电感保持不变C. 电容保持常数，电感为变量D. 电容和电感均保持不变4）利用湿敏电容可以测量__B____。
A. 空气的绝对湿度B. 空气的相对湿度C. 空气的温度D. 纸张的含水量5）电容式接近开关对__D___的灵敏度最高。
A. 玻璃B. 塑料C. 纸D. 鸡饲料6）下图中，当储液罐中装满液体后，电容差压变送器中的膜片___A______。
A.向左弯曲B. 向右弯曲C.保持不动差压式液位计示意图1－储液罐2－液面3－上部空间4－高压侧管道5－电容差压变送器6－低压侧管道7）自来水公司到用户家中抄自来水表数据，得到的是___B___。
A. 瞬时流量，单位为t/hB. 累积流量，单位为t或m3C. 瞬时流量，单位为k/gD. 累积流量，单位为kg8）在下图中，管道中的流体自左向右流动时，_____A____。
A. p1〉p2B. p1〈p2C.p1=p29）管道中流体的流速越快，压力就越_____B____。
A. 大B.小C.不变节流式流量计示意图a）流体流经节流孔板时，流速和压力的变化情况b）测量液体时导压管的标准安装方法c）测量气体时导压管的标准安装方法1－上游管道2－流体3－节流孔板4－前取压孔位置5－后取压孔位置9）欲测量加工罐中面粉的物位，应选用______C______；欲测量10m深的水库水位应选用______A______；欲测量2m深的水池中的水位，既需要用肉眼观察，又需要输出电信号，应选用______B______。
第五章电容式
m
23
求得最大绝对误差：（
ym )L
1 4
m
2
0
2
相对误差：
ef
1 4
m
0
100 %
非线性误差随着δ0的减小而增大。 为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。
通常规定测量范围 △δ<< δ0,，此时，传感器 的灵敏度近似为常数。 在实际应用中, 为了提高灵敏度、减小非线性误 差, 大都采用差动式结构。
14
15
电容式厚度传感器
原理：变介质型 变极距型； 特点：非接触式测量 应用：纸张、绝缘薄膜等
16
其他应用
17
特点
输人能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器
只需很小的能量就能改变电容极板的位臵，因此电容传感 器可以测量很小的力，而且很灵敏。精度高达0.01%电容 式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位 移传感器，精度可达5μm。 电参量相对变化大。信噪比大，工作稳定
45
若传感器输入不为 0, 则C1 ≠ C2, 那么I1≠I2, 此时
RL上必定有信号输出, 其输出在一个周期内的平
均值为
U sc I f R f R(R 2R f ) (R R f )
2
R f Ef ( C 1 C 2 )
改变E
→电桥恢复平衡→输出电压为零、电机停止转动、指
针停在某角度上。
42
在新的平衡位臵： 代入初始平衡条件：
E（ C x 0 C x ) ( E 2 E ) C 0 1 E E1 C0 C x E1 C0 k1h
是线性电位器 E1 C0
第5章--电容传感器
2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析
变间隙型电容传感器总结
•变间隙型电容传感器的输出特性是非线性的 •灵敏度Kg与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越 高，但线性误差增加
•差动式电容传感器的灵敏度比单边的提高了一倍，非 线性误差减小了一个数量级。
电容式传感器例题
一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径 r=4mm ，工作初始间 隙d=0.3mm，介电常数ε=8.85×10-12F/m，试求： 1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量Δd=2μm, 电容变化 量是多少? 2) 若测量电路的灵敏度 S1=100mv/PF, 读数仪表的灵敏度 S2=5 格/mv, 当Δd=2μm,时，读数仪表示值变化多少格? 解：
电容式传感器-实例
• 传声器（Microphone）俗称话筒 ，音译作麦克风，是一种声－电 换能器件，可分电动和静电两类 ，目前广播、电视和娱乐等方面 使用的传声器，绝大多数是动圈 式和电容式。 • 电容传声器以振膜与后极板间的 电容量变化通过前置放大器变换 为输出电压。它能提供非常高的 音响质量，频率响应宽而平坦， 是高性能传声器，但这种传声器 制造工艺复杂，价格高，需外加 60～200V的极化电压源，一般在 专业领域使用较多。
2.角位移变面积型 当动极板产生角位移 θ 时 , 与定极板间的有效覆盖面积改变 , 两极板间的电容量改变。
C C0
灵敏度
半圆形时
θ
当θ=0 时
当θ≠0时, 则:
C0
A
d
动极板
A 1 C C0 C0 d
定极板
C C0V/mm。
动极板 有了云母片极板间的起始间距
可大大减小。极大地提高了电容
第五章电容式传感器
r1 L 0 L r 2 L ； d0 C C C 0 r 2 1 L ; C0 C0 L0 C 电介质 r 2 的移动量 L C0
5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性
• 变极距型
从前述讨论可知，变极板面积型电容传感器的电容量与作用量（ θ 、 L）间呈严格的线性关系，而变极距型电容式传感器仅在Δ d/d 较小时 呈近似线性关系。按线性关系处理，必然带来一定的非线性误差。
（2）
b x 0 r C C C ; 0
d
ba 0 r C 0 d
C x C0 a
• C~x呈线性关系
D1
3.同心圆筒形线位移电容式传感器 模型：如右图。初始电容C0：
2 0 rL rL C , C ( L /cm ;C /pF ) 0 0 D D ln 0 1 . 80 ln 0 D D 1 1 L ：筒长
灵敏度： K
d
0
d0
然而，d0受介质的绝缘强度限制（空气:约 3KV/mm），不可太小。 通常，d 在25～200μm之间， Δd /d0< 0.1（非线性误差不可太大）。 利用Δd → ΔC的特性，可以测量微小位移或厚度。 放置了介质片的变极距型电容式传感器容量变化公式的推导
C0
A d
d 。
动极板
定极板
0 时， 板级级间的的相对面 ：积 A A 1 1 A1 A C 1 C0 1 C0 C d d
平板电容式角位移传感器
C（ΔC）与θ （角位移）成线性关系。
A-两极板的有 效覆盖面积
放置介质片的平行板电容器
电容式传感器的工作原理和结构.
由式（5 - 10）可见, 此变换器的电容增量正比于被测液位 高度h。
变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张 #, 绝缘薄膜等的厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。图 5 - 7 是一种常用的结构型式。 图中两平行电极固定不动, 极距为d0, 相对介电常数为εr2的电介 质以不同深度插入电容器中, 从而改变两种介质的极板覆盖面 积。传感器总电容量C为
小, 容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电
常数的材料（云母、塑料膜等）作介质(如图 5- 3所示), 此时 电容C
c
A dg
0 g
0
d0
（5 - 5）
式中: εg——云母的相对介电常数, εg= 7;
ε0——空气的介电常数, ε0= 1; d0——空气隙厚度;
dg
——云母片的厚度。
c
A
d
式中: ε——电容极板间介质的介电常数, ε =ε0·εr, 其中ε0为真空 介电常数, εr为极板间介质相对介电常数; A——两平行板所覆盖的面积; d——两平行板之间的距离。
当被测参数变化使得式（5 - 1）中的A#,d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变 , 而仅改变 其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通 过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可分为 变极距型、变面积型和变介质型三种类型。
第5章 电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 5.3 电容式传感器的测量电路
5.４ 电容式传感器的应用
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第5章 电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构
第5章 硅电容式微传感器
图5-11 平铺叉指结构
⑫三明治叉指型结构
图5-12 三明治叉指结构
5.2 设计、建模与仿真
系统设计包括两个方面，即微传感器设
计与系统电子线路设计两大部分。 对于一个机电混合系统来讲，这两部分 的设计是密不可分的，任何孤立的单方 开发都无助于整个系统的最终形成。
5.2.1 硅微加速度传感器设计
5.3 典型接口电路
几乎所有用ห้องสมุดไป่ตู้测量电容式传感器的电路
是基于电容差值的测量方法，这是因为 被测量的电容值通常是在几个10-18Ｆ到 几百个10-12Ｆ范围内，而采用电容差值 的测量方法恰好可以满足这个测量范围 的要求。
5.3.1 CAV系列接口电路
图5-16 CAV424电路结构和应用电路图
第5章 硅电容式微传感器
硅是一种半导体，在元素周期表中处于
金属和非金属之间。 平板电容器的公式：
5.1 典型传感器结构及工作原理
目前实际应用的典型硅电容式微传感器
有微型硅加速度计、硅集成压力传感器 和CMOS集成电容湿度传感器。
5.1.1 微型硅加速度计
微型硅加速度计是一种新颖的加速
提高硅压力传感器可靠性的措施
通常有： ①在一定的功能下，其设计方案 愈减愈好，器件数量愈少愈好； ②对器件实行减额使用，减轻其 负荷量等。
5.3.2 XE2004接口电路
图5-19 XE2004内部结构框图
5.3.3 MS3110接口电路
MS3110采用调制解调的电容检测方法
。MS3110 芯片内部能够产生2路幅值 相同、相位相反的方波信号作为输出 电容的载波信号, 实现对电容变化的 调制, 调制信号通过电荷积器将电容 变化转换为电压变化, 采样保持电路 对调制信号进行解调, 经过低通滤波 、增益放大就得到与电容差成正比的 电压信号。
传感器习题第5章-电容式传感器
随意编辑第5章 电容式传感器（P99）5－3 图5—7为电容式液位计测量原理图。
请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压0U图5-7 电容式液位变换器结构原理图解：电容式液位计的电容值为：dDnh C C 1)(210εεπ-+=，其中d D n HC 120πε=。
可见C 与液面高度h 呈线性关系。
可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T 形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。
另外要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路。
可以采用环形二极管充放电法，具体电路如图所示。
可将直流电流表改为直流电压表与负载电阻R 的并联，R 上的电压为0U ，则有：)(0d x C C E Rf RI U -∆==其中，C x 为电容式液位计的电容值，f为方波的频率，ΔE =E 2-E 1为方波的幅值，C d为平衡电容传感器初始电容的dD n h C C 1)(210εεπ-+=环形二极管电容测量电路原理图E调零电容。
当h=0时调节dD n HC C d 120πε==，则输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系。
5－5 题5—5图为电容式传感器的双T 电桥测量电路，已知Ω===k R R R 4021，Ω=k R L 20，V e 10=，MHz f 1=，pF C 100=，pF C 101=，pF C 11=∆。
求L U 的表达式及对于上述已知参数的L U 值。
解：()()V C C Uf R R R R R R U L L L L 18.010110110202040)20240(40)()()2(1262012=⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯=-⋅++=-5－8 题5—8图为二极管环形电桥检波测量电路，p U 为恒压信号源，1C 和2C 是差动式电容传感器，0C 是固定电容，其值10C C >>，20C C >>，设二极管41~D D V V 正向电阻为零，反向电阻为无穷大，信号输出经低通滤波器取出直流信号AB e 。
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电容式油量表
当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为 m 处。 当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失
去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同
时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达 到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x 处）。
2013-8-15
6
变极距式电容传感器的特性曲线
a）
结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小 些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较 小时，它的测量范围变大还是变小？
2013-8-15 7
三、变介电常数式
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。
C2。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。其左端固定在衬底上，所以相
当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，C1、C2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Δ C 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 于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可 达1kHz以上，允许加速度范围可达10g 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，就可以测量三维方向的振动或加速度。
表5-1 几种介质的相对介电常数
2013-8-15
8
变介电常数式电容传感器的用途
根据表5-1，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？
2013-8-15
9
第二节
电容式传感器的测量转换电路 （调频电路 ）
调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振 回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发 生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。
线性误差：≤1%
2013-8-15 18
硅微加工加速度传感器原理
1—加速度测试单元
2—信号处理电路 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）
2013-8-15
19
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结
构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、
电容传感器的基本理想公式为
C
A
d
0 r A
d
改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可使 平板电容的电容量C 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。
2013-8-15 3
一、变面积式电容传感器
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直 线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2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A就减小，因
2013-8-15
而电容量也随之减小。
4
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性的，
灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位
移、角位移、尺寸等参量。 请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！
2013-8-15
5
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， 改变了两极板之间的距离d，从而使电容量 发生变化。 实际使用时，总是使初始极距d0尽量 小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极 距式电容器的行程较小的缺点。
于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。
2013-8-15 15
智能化液位限位传感器的设定按钮
正常工作 指示灯 电源 指示灯 超限灯
设定按钮
2013-8-15 16
二、硅微加工加速度传感器
图示加速度传感器以微细
加工技术为基础，既能测量交
变加速度（振动），也可测量 惯性力或重力加速度。其工作
电压为2.7～5.25V，加速度测
43
2013-8-15 20
加速度传感器在汽车中的应用
装有传感 器的假人 气囊
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， 微处理器据此判断发生了碰 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， 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
2013-8-15 21
汽车气囊的保护作用
使用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 。
2013-8-15 22
汽车气囊对驾驶员的保护作用
2013-8-15
23
利用加速度传感器实现
延时起爆的钻地炸弹
传感器安装位置
2013-8-15
24
三、湿敏电容
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。
2013-8-15
33
电容式接近开关外形
齐平式
2013-8-15
非齐平式
34
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。
2013-8-15 35
远距离式（大量程）
2013-8-15
全密封防水式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ36
电容接近开关的规格
2013-8-15
37
电容式接近开关在液位测量控制中的使用
该油量 表属于开环 系统还是闭 环系统？
2013-8-15 31
上页所示的油量表在倾斜状态时可
以使用吗？为什么？
该油量
表可用于
飞机油箱
2013-8-15
32
五、电容式接近开关
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（例如饲料、人 体等） ；可以是接地的，也可以是不接地 的。 调节接近开关尾部的灵敏度调节电位 器，可以根据被测物不同来改变动作距离。
位变送器的区别在于：它
不给出模拟量，而是给出
开关量。当液位到达设定
值时，它输出低电平。但
也可以选择输出为高电平
的型号。
2013-8-15 14
液位限位传感器 的设定
定方法十分简单： 用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设 设定按钮 智能化液位传感器的设
定。正常使用时，当水位高
第五章
电容传感器
本章学习电容传感器的原理
及应用，还涉及压力、液位及流
量的测量方法。
2013-8-15
1
第一节
电容式传感器的工作原理 及结构形式
电容传感器的基本理想公式为
C
A
d
0 r A
d
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？
2013-8-15
2
第一节
电容式传感器的工作原理 及结构形式
2013-8-15
25
湿敏电容外形
吸水高分子薄膜
2013-8-15
26
湿敏电容模块及传感器外形
2013-8-15
27
湿敏电容传感器的安装使用
带报警器的家庭使用型
在野外的使用
2013-8-15 28
多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形
2013-8-15
29
四、电容式油量表
机械式油量表： 在油箱内，装 有类似卫生间水箱 里的浮球，通过杠 杆带动电阻丝式圆 盘电位器，由电流 表指示出油量。
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，就可以通过测量电容量这个电参数
来达到非电量电测的目的。
2013-8-15
12
一、电容式液位计
棒状电极（金属管）外 面包裹聚四氟乙烯套管，当 被测液体的液面上升时，引
起棒状电极与导电液体之间
的电容变大。
聚四氟乙烯外套
电容式液位限位传感器
液位限位传感器与液
量范围为数个g，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。
2013-8-15 17
微加工三轴加速度传感器
技术指标：
灵敏度：500mV/g ，
量程：10g， 频率范围：0.5-2000Hz， 安装谐振点:8kHz ， 分辨力：0.00004g ，
重量：200g ，
安装螺纹：M5 mm ，
1 f 2 L0C
5-2
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？
2013-8-15 10
调频（FM）电路
TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？
2013-8-15
11
第三节
电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、 相对面积A 和极间介电常数 。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要
2013-8-15
38
电容式接近开关在 液位物位测量控制中的使用
2013-8-15
39
电容式接近开关在物位测量控制 中的使用演示
2013-8-15
40
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
2013-8-15
41
本章作业：
P 94：5、6
2013-8-15
42
休息一下
2013-8-15