傳感器-5電容傳感器課件

第五章電容傳感器本章學(xué)習(xí)電容傳感器的原理及應(yīng)用，還涉及壓力、液位及流量的測(cè)量方法。2/6/20231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(gè)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2/6/20232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(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。

2/6/20233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(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。

請(qǐng)畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！2/6/20235二、變極距式電容傳感器

當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實(shí)際使用時(shí)，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(diǎn)。2/6/20236變極距式電容傳感器的特性曲線

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變?。縜）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—?jiǎng)訕O板

2/6/20237變介電常數(shù)式電容傳感器的用途

根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對(duì)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(shí)，哪一種情況下的電容量變大？可用于測(cè)量什么非電量？2/6/20239第二節(jié)電容式傳感器的測(cè)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(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應(yīng)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？2/6/202310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？

2/6/202311一、電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。圖5－6b聚四氟乙烯外套2/6/202313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(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。2/6/202314液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕2/6/202315二、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)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。2/6/202317微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2/6/202318硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)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）2/6/202319加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)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2/6/202321汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2/6/202322汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用2/6/202323三、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(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，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(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

2/6/202325濕敏電容外形吸水高分子薄膜2/6/202326濕敏電容模塊及傳感器外形2/6/202327多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

2/6/202329四、電容式油量表

機(jī)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(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2/6/202330電容式油量表當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)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)？2/6/202331上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時(shí)可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機(jī)油箱2/6/202332五、電容式接近開關(guān)

被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)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(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測(cè)物不同來改變動(dòng)作距離。2/6/202333電容式接近開關(guān)外形齊平式非齊平式2/6/202334非齊平式接近開關(guān)的安裝非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易損壞。2/6/202335全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）2/6/202336電容接近開關(guān)的規(guī)格2/6/202337電容式接近開關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用2/6/202338電容式接近開關(guān)在

液位物位測(cè)量

控制中的使用對(duì)應(yīng)的光柱顯示2/6/202339電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用2/6/202340電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示2/6/202341不同材料的非金屬檢測(cè)物對(duì)電容式接近開關(guān)動(dòng)作距離的影響2/6/202342第四節(jié)壓力和流量的測(cè)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(jì)量單位。如“工程大氣壓”、“標(biāo)準(zhǔn)大氣壓”、“毫米汞柱”，氣象學(xué)中還用“巴”（bar）和“托”為壓力單位。這些單位在一些進(jìn)口儀表說明書上可能還會(huì)見到。2/6/202343壓力單位轉(zhuǎn)換對(duì)照表

2/6/202344二、電容式差壓變送器高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置2/6/202345電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—高壓側(cè)進(jìn)氣口2—低壓側(cè)進(jìn)氣口

3—過濾片

4—空腔5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片6—導(dǎo)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2/6/202346各種電容式差壓變送器外形

2/6/202347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2/6/202348各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）2/6/202349三、利用電容差壓變送器

測(cè)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=gh2/6/202350電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位

投入式水位計(jì)2/6/202351四、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(shè)測(cè)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。2/6/202352五、節(jié)流式流量計(jì)及電容差壓變送器在流量測(cè)量中的應(yīng)用

測(cè)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(biāo)準(zhǔn)制造的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量系數(shù)計(jì)算公式是相當(dāng)完備的，所以它是一種可靠性和標(biāo)準(zhǔn)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(jì)。

2/6/202353葉輪式風(fēng)流速、流量計(jì)（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）2/6/202354玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)流體入口流體出口轉(zhuǎn)子2/6/202355差壓節(jié)流式流量計(jì)所謂節(jié)流裝置，就是在管道中段設(shè)置一個(gè)流通面積比管道狹窄的孔板或者文丘里噴嘴，使流體經(jīng)過該節(jié)流裝置時(shí)，流束局部收縮，流速提高，壓強(qiáng)減小。節(jié)流式流量計(jì)的缺點(diǎn)是流體通過節(jié)流裝置后，會(huì)產(chǎn)生不可逆的壓力損失。另外，當(dāng)流體的溫度t、壓力p1變化時(shí)，流體的密度將隨之改變。所以必須進(jìn)行溫度、壓力修正。

2/6/202356節(jié)流裝置（取壓管及內(nèi)部的節(jié)流孔板）

節(jié)流孔板后取壓管

前取壓管流體通過節(jié)流孔板時(shí)，流速加快，后取壓管處的壓力減小。2/6/202357節(jié)流裝置外形

節(jié)流孔板后取壓管

2/6/202358流體流經(jīng)節(jié)流孔板時(shí)，壓力和流速的變化情況

節(jié)流孔板流速變快，壓力變小

2/6/202359節(jié)流裝置的另一種形式——文丘里管或文丘里噴嘴文丘里噴嘴的壓力損失較小。流體入口狹窄部位2/6/202360文丘里噴嘴原理示意圖

文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)圖文丘里噴嘴在管道中的位置前取壓口

后取壓口

2/6/202361導(dǎo)壓管的配置從取壓孔到差壓