第三讲电容式传感器 主讲教师：张翰文 黑龙江广播电视大学
1 第三讲电容式传感器 主讲教师 ： 张翰文
温故知新 1、从理论准备到实际传感器的过度： △X→△Y→△R→△Y 2、机械结构可变式传感器的测量转换原理： △Y=f(x,y,z) 其中：×，y,z为传感器核心机构的机械参数 3、几种常见的电阻式传感器： (1)电位计式(2)应变式(3)特性敏感式 4、电阻式传感器的测量转换电路： 目标：△R-→△Y即：(2→V1) 5、电阻式传感器的应用： 测位移（线、角）、力、加速度、温度、光线强度等 2
2 1、从理论准备到实际传感器的过度： 2、机械结构可变式传感器的测量转换原理： 其中：x , y , z 为传感器核心机构的机械参数 3、几种常见的电阻式传感器： （1）电位计式（2）应变式（3）特性敏感式 4、电阻式传感器的测量转换电路： 目标： 即： 5、电阻式传感器的应用： 测位移（线、角）、力、加速度、温度、光线强度等 温 故 知 新
本讲内容提要 1、电容式传感器的基础知识： 掌握电容式传感器的基本概念、应用场合和 特点，理解其工作过程。 2、几种常见的电容式传感器的结构和工作原理： (1)变极距式(2)变面积式(3)变介电质式 3、电容式传感器的测量转换电路： 目标：△X→△C→△Y即：F→f\V\A 4、电容式传感器的应用： 测位移（线、角）、力、加速度、液位、接近度等 5、体会从任务分析开始的传感器装置设计的一般过 程（课程形式：准备知识→任务情境→结构与 测量转换原理→其他拓展应用)。 3
3 1、电容式传感器的基础知识： 掌握电容式传感器的基本概念、应用场合和 特点，理解其工作过程。 2、几种常见的电容式传感器的结构和工作原理： （1）变极距式（2）变面积式（3）变介电质式 3、电容式传感器的测量转换电路： 目标： 即： 4、电容式传感器的应用： 测位移（线、角）、力、加速度、液位、接近度等 5、体会从任务分析开始的传感器装置设计的一般过 程（课程形式：准备知识 任务情境 结构与 测量转换原理 其他拓展应用）。 本讲内容提要
一、准备：电容式传感器基础 1强化传感器的一般设计思想 △X→△中间变化参量（电容）→△Y(f\V八A) 2三种可变电容器的类型和结构（以平行板经典结构 为例一请对照“应变式电阻传感器原理理解) 介电质常数ε 面积A d 4πKd 3扩展：结构参量变化型传感器的原理与特点
4 1 强化传感器的一般设计思想 中间变化参量（电容） 2 三种可变电容器的类型和结构（以平行板经典结构 为例—请对照“应变式电阻传感器原理”理解） 3 扩展：结构参量变化型传感器的原理与特点 一、准备：电容式传感器基础
(1)变极距式传感器 若因外界因素导致传感器出现线位 移，使两极板间的距离d发生变化，而 两电极间的覆盖面积A、极板间介电常 数ε不发生变化，则引起电容值的相对变 化量可表示为： △C△d C d 在式中，△d为两极板间的距离的相 对变化量。【注】负号表示变化方向相 反
5 （1）变极距式传感器 若因外界因素导致传感器出现线位 移，使两极板间的距离d发生变化，而 两电极间的覆盖面积A、极板间介电常 数ε不发生变化，则引起电容值的相对变 化量可表示为： 在式中， 为两极板间的距离的相 对变化量。【注】负号表示变化方向相 反
(2)变面积式传感器 若因外界因素导致传感器出现线位移或角位 移，使电极间的覆盖面积A发生变化，而两电极间 的距离d、极板间介电常数ε不发生变化，则引起 电容值的相对变化量可表示为： △C△A CA 在式中，△4为电板间的覆盖面积的相对变化量
6 （2）变面积式传感器 若因 外界因素导致传感器出现线位移 或角位 移，使电极间的覆盖面积A发生变化，而两电极间 的距离d、极板间介电常数ε不发生变化，则引起 电容值的相对 变化量 可表示为： 在式中， 为电板间的覆盖面积的相对变化量
(3)变介电常数式传感器 若因外界因素导致传感器的两个极板间 的介电常数ε发生变化，而两电极间的距离d、 覆盖面积A不发生变化，则引起电容值的相 对变化量可表示为： 在式中，△ε为极板间的介电常数的相 对变化量
7 （3）变介电常数式传感器 若因外界因素导致传感器的两个极板间 的介电常数ε发生变化，而两电极间的距离d、 覆盖面积A不发生变化，则引起电容值的相 对变化量可表示为： 在式中， 为极板间的介电常数的相 对变化量
传袋器 变极距式 变面积式 变介电常数式 电极 定极 电 金属电极 导电介 结构 )角位裤否 楼板 宁电介质 极板2 动极 定极板 (b)圆柱线位移型（©）平面线位移型 b)差动结构 (b》平而型 工作机理 通过改变两极板间 通过改变两极板的覆盖面积 通过改变两极板间的介电 的距离改变电容 改变电容 常数改变电容 性能特点测量精度较低 测量精度较低 甜锅袋高，不受周面子 测量微米级的线位 测量固体或液体的料位 (湾位) 使用场合 测量由于力、压力 、压差、振动等引 翠量角位移及屋米级的线位 保界魔的杰赞授费 湿商纯 起的极距变化 测量振动振幅 测量片状材料的厚度和介 电常数
8 传感器的 类型 变极距式 变面积式 变介电常数式 结 构 工作机理 通过改变两极板间 的距离改变电容 通过改变两极板的覆盖面积 改变电容 通过改变两极板间的介电 常数改变电容 性能特点 测量精度较低 测量精度较低 测量精度高，不受周围环 境的影响 使用场合 测量微米级的线位 移。 测量由于力、压力 、压差、振动等引 起的极距变化。 测量振动振幅 测量角位移及厘米级的线位 移 测量固体或液体的料位 （液位）。 测量粮食、木材等非导电 固体介质的温度、密度、 湿度等。 测量片状材料的厚度和介 电常数
二、任务情境 (应用设计) 任务：设计传感器来 检测医院点滴套管中 的药液残余状况，在 药液将尽时，及时发 出报警，提示护士拔 针
9 二、 任 务 情 境（应用设计） 任务：设计传感器来 检测医院点滴套管中 的药液残余状况，在 药液将尽时，及时发 出报警，提示护士拔 针
任务特点分析： (依据要求实现的功能和在具体情境中装置受到的各 种限制) (1)属于非接触测量液位问题 (2)装置宜小巧、便于更换拆卸 (3)属“报警式测量要求”精度适宜 (4)系统安全稳定性要求高 (5)属于医用装置，安全卫生，不改变药液性状。 (6)材料环保、成本低廉，方便推广 10
10 任务特点分析： （依据要求实现的功能和在具体情境中装置受到的各 种限制） （1）属于非接触测量液位问题 （2）装置宜小巧、便于更换拆卸 （3）属“报警式测量要求”精度适宜 （4）系统安全稳定性要求高 （5）属于医用装置，安全卫生，不改变药液性状。 （6）材料环保、成本低廉，方便推广