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第五章 电容传感器 章节导入： 电容传感器以各种类型的电容作为传感元件，通过它将被测量转化为电容量，然后再转化为电压、电流、频率。 本章要点： 1、电容传感器的类型及工作原理 2、电容传感器的灵敏度及输出特性 3、电容传感器的测量转换电路 4、电容传感器的应用 第一节 电容式传感的结构形式及工作原理 一、变面积式电容传感器 1、结构 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3不动，内圆筒4在外圆筒内作上、下直线运动,5是导轨。图c是一个角位移式的结构。极板1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，因而电容量也随之减小。 2、变面积式电容传感器的特性 平板电容： 变面积式电容传感器的特性同心圆筒变面积式：电容变化及灵敏度为 变面积式电容传感器的特性角位移式：电容变化及灵敏度为 二、变极距式电容传感器 变极距式电容传感器的特性 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。利用这种原理制成的传感器叫做变介电常数式传感器。例如： 1、当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ 越厚，电容量也就越大。 2、当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（ εr水1）时，电容量将变大。 3、当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变大。 变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。 三、变介电常数式 （几种介质的相对介电常数 第二节 电容式传感器的测量转换电路 电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录， 必须将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。 一、桥式电路 桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。 Cx为电容传感器，当交流电桥平衡时，其平衡条件为： 当Cx变化时， ，即桥路有输出电压，上述指单臂桥接法。 差动接法时，若Cx1=Cx2，因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则 。若CX1≠CX2，因两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则 ，即桥路有输出电压。 相位由相敏检波电路分辨 二、调频（FM）电路 三、脉宽调制（PWM）电路 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。 一、电容板材在线测厚仪 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。 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） 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% 1、测量过程  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