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 金属管（电极板） 导电液体（电极板） 3.电容式转速传感器 设齿数为Z，由计数器得到的频率为f，则转速n（r/min）为: 4.电容式位移传感器 电容式位移传感器在测振幅和测轴回转精度和轴心偏摆的应用。 5.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。 湿敏电容外形 吸水高分子薄膜 湿敏电容模块及传感器外形 多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 4.4容栅式传感器 容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度。 容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可分为长容栅、片状圆容栅、柱状圆容栅三类。 1.直线形容栅传感器（长容栅） 长容栅结构原理图 式中，n—— 动尺栅极片数； a，b——栅极片长度和宽度。 容栅传感器的最小电容量理论上为零，实际上为固定电容C0，为容栅固有电容。当动尺沿x方向平行于定尺不断移动时，每对电容的相对遮盖长度a将由大到小，由小到大地周期性变化，电容量值也随之相应周期变化，如图所示，经电路处理后，则可测得线位移值。 2.圆形容栅传感器（片状圆容栅） 最大电容为： 式中 r1，r2 ——圆盘上栅极片内半径和外半径； α——每条栅极片对应的圆心角。 3.筒形容栅传感器（柱状圆容栅） 筒形容栅传感器由两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀在圆筒上，可实现长度的测量。柱状圆容栅的结构原理图如图所示。 随着微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展，各种基于MEMS技术的传感器也应运而生，由于国防和尖端技术需要，微加速度传感器近年来发展迅速。在各种微加速度传感器中，微电容式加速度传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力强，体积小、重量轻、易于与测试、控制电路集成、有利于大规模批量生产等优点，其研究和应用受到越来越广泛的关注。 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。 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 ， 线性误差：≤1% 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） 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、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ΔC 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。 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。 装有传感器的假人 气囊 思考题 比较电阻式、电感式、电容式传感器的异同点。并能列举各自应用 * * 第4章 电容式传感器 第4章 电容式传感器 Capacitive Sensors 绪 论 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。 特点： （1）小功率、高阻抗。 （2）小的静电引力和良好的动态特性。 （3）本身发热影响小。 （4）可进行非接触测量。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 4.1 电容式传感器的工作原理和特性 max.book118.com 工作原理及类型 电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容 器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。 由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对图示平行极板电容器，电容量为 + S r d _ 可见：在S、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、d、ε三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三大类： (1) 极距变化型电容传感器； (2) 面积变化型电容传感器； (3) 介质变化型电容传感器。 max.book118.com感器特性分析 1.变极距型电容传感器 设初始电容为： 当间隙d0减小Δd时,则电容量增大ΔC，则： 电容的相对变化为： 当 时，将上式按泰勒级数展开，得： 可见，电容C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系： 电容传感器的静态灵敏度为 灵敏度随极板间距的减小而增大 如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差： 由以上分析可知：变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性输出。 C d d0 Δd Δd ΔC1 ΔC2 { { ΔC1 ΔC2 如图，极距变化相同值±△d所对应的电容变化量不同 非线性随极板间距的减小而增大 为了提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响，常采用差动式的电容传感器，其原理结构如图所示。 工作时差动电容器总电容变化为： 当 时，将上式按泰勒级数展开，得： 略去非线性高次项，得： 变极距差动电容式传感器的灵敏度K′为 变极距差动电容传感器的非线性误差?′L近似为 可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效的改善由于环境影响所造成的误差。 2.变面积的电容式传感器 （1）用于线位移测量的电容式传感器 当动极板移动后,极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为： 灵敏度： 灵
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