第5章電容傳感器

機械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第五章

多媒體課件

2009－5－1更新2/4/20231在這一章里，卡卡要給大家介紹電容傳感器的基本原理、特性和應用，也集中講一講在工業(yè)領域應用較多的壓力、液位和流量測量。在測量中，被測物理量通過電容傳感器轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或頻率。電容傳感器的最大特點是反應快。第五章電容傳感器2/4/20232第五章電容傳感器原理動畫我們先來做一個實驗。打開一只老式收音機后蓋，可以看到一只“可變電容器”。增加該電容器“動片”的旋出角度，收音機的諧振頻率就逐漸升高，所接收到的電臺頻率也逐漸升高。結(jié)論：這個電容器的電容量與兩個幾班的有效投影面積成正比。2/4/20233第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

電容傳感器的基本理想公式為2/4/20234第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式改變A、d、三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。

從電工知識可知，電容傳感器的電容量C與兩極板相互遮蓋的有效面積A以及兩極板之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)εr成正比，與兩極板間的距離d（常稱為極距）成反比。回顧一下2/4/20235一、變面積式電容傳感器圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。2/4/20236變面積式電容傳感器的特性

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。

請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！2/4/20237二、變極距式電容傳感器

當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。2/4/20238變極距式電容傳感器的特性曲線

a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關系1—定極板2—動極板

觀察圖5-4b所示的變極距式電容傳感器特性曲線，變極距式電容傳感器的特性是什么曲線？當初始安裝距離d0較小時所引起的電容變化量ΔC1，與d0較大時的ΔC2比較，靈敏度哪個高？對行程有何影響？2/4/20239差動式電容傳感器

在第四章里，卡卡給大家介紹過差動電感的特性及優(yōu)點，大家還記得嗎？回顧一下a）差動變極距式b）差動變面積式1－動極板2－定極板差動電容傳感器的靈敏度提高近一倍，線性也得到改善。外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消。電容傳感器的非線性誤差還可以進一步用計算機來計算修正。2/4/202310三、變介電常數(shù)式

因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)2/4/202311變介電常數(shù)式電容傳感器的用途思考

根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量變大？可用于測量什么非電量？2/4/202312第二節(jié)電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

（調(diào)頻電路）調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應的變化。

電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？2/4/202313調(diào)頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？

2/4/202314第三節(jié)電容式傳感器的應用電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個變量，電容量C就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。

2/4/202315一、電容式液位計棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套2/4/202316電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。2/4/202317液位限位傳感器的設定智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設定按鈕2/4/202318智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈正常工作指示燈設定按鈕電源指示燈2/4/202319二、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2/4/202320微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2/4/202321硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）2/4/202322加速度傳感器在汽車中的應用當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊2/4/202323汽車氣囊的保護作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2/4/202324汽車氣囊對駕駛員的保護作用2/4/202325利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置2/4/202326三、濕敏電容

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當相對濕度增大時，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

2/4/202327濕敏電容外形吸水高分子薄膜2/4/202328濕敏電容模塊及傳感器外形2/4/202329濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型2/4/202330多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

2/4/202331四、電容式油量表

機械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2/4/202332電容式油量表當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時帶動RP的滑動臂移動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？2/4/202333上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機油箱2/4/202334三、電容式接近開關

被檢測物體可以是導電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。在第四章里，曾介紹過“電感式接近開關”，它能判斷金屬物體靠近與否?；仡櫼幌?/4/202335電容式接近開關外形齊平式非齊平式2/4/202336非齊平式接近開關的安裝非齊平式安裝時，傳感器端部高于安裝支架，易損壞。2/4/202337全密封防水式遠距離式（大量程）2/4/202338電容接近開關的規(guī)格2/4/202339電容式接近開關在液位測量控制中的使用2/4/202340電容式接近開關在

液位物位測量

控制中的使用對應的光柱顯示2/4/202341電容式接近開關在物位測量控制中的使用2/4/202342電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示2/4/202343不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關動作距離的影響2/4/202344第四節(jié)壓力和流量的測量一、壓力的基本概念

壓力的國際單位為“帕斯卡”，簡稱“帕”（Pa）。除此之外，工程界長期使用許多不同的壓力計量單位。如“工程大氣壓”、“標準大氣壓”、“毫米汞柱”，氣象學中還用“巴”（bar）和“托”為壓力單位。這些單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。2/4/202345壓力單位轉(zhuǎn)換對照表

2/4/202346二、電容式差壓變送器高壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置2/4/202347電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—高壓側(cè)進氣口2—低壓側(cè)進氣口

3—過濾片

4—空腔5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片6—導壓硅油

7—凹形玻璃圓片8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片

10—

腔2/4/202348各種電容式差壓變送器外形

2/4/202349各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）（參考丹東長隆自控有限公司資料）法蘭2/4/202350各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）2/4/202351三、利用電容差壓變送器

測量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=gh2/4/202352電容差壓變送器用于測量液體的液位

投入式水位計2/4/202353四、流量的基本概念體積流量qV=Av，單位為m3/h或L/s；質(zhì)量流量qm=Av，單位為t/h或kg/s。

例：設測得流速v=10m/s，圓管道的直徑r=1m，則截面積A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。流量是指流體在單位時間內(nèi)通過某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)，分別稱為體積流量qV和質(zhì)量流量qm。這種單位時間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時流量q。把瞬時流量對時間t進行累計，求出累計體積或累計質(zhì)量的總和，稱為累積流量，也叫總量。2/4/202354五、流量的測量方法

測量流量的方法很多，有流速法、容積法、質(zhì)量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。按照國家標準制造的標準節(jié)流裝置的流量系數(shù)計算公式是相當完備的，所以它是一種可靠性和標準化較高的流量傳感器，所以在工業(yè)中大量使用差壓式流量計。

2/4/202355葉輪式風流速、流量計（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）