第05章：電容傳感器 66頁

1、2021-9-31第第3 3章章 電容傳感器電容傳感器 本章學習本章學習電容電容傳感器的原理傳感器的原理及應用，還涉及壓力、液位及流及應用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。量的測量方法。2021-9-32第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)形式 上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？幾種類型的電容傳感器？ 0 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為2021-9-33第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)形式 改變改變A A、d d、 三

2、個參量中的任意一個量，均可使三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量平板電容的電容量C C 改變。改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。容傳感器。 0 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為2021-9-34一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器 圖圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，可以左右移動，稱為動極板。極板稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖固定不動，稱為定極板。圖b b是同心圓筒形是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在

3、外圓筒內(nèi)作上、下直變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖線運動。圖c c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2 2的軸由被測物體帶的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移動而旋轉(zhuǎn)一個角位移 度時，兩極板的遮蓋面積度時，兩極板的遮蓋面積A A就減小，因就減小，因而電容量也隨之減小。而電容量也隨之減小。2021-9-35 電容式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。出。第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器原理電容式傳感器原理1.變

4、變面積面積式式 2.變變間隙間隙式式 3.變變介電常數(shù)介電常數(shù)式式2021-9-36變面積式電容傳感器的特性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，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。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！請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！2021-9-37二、變極距式電容傳感器二、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，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改變了兩極板之間的距離

5、d d，從而使電容量，從而使電容量發(fā)生變化。發(fā)生變化。 實際使用時，總是使初始極距實際使用時，總是使初始極距d0盡量盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極小些，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。距式電容器的行程較小的缺點。2021-9-38變極距式電容傳感器的特性曲線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，應使當從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應使當d d0 0小小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d d0 0較較小時，它的測量范圍變大還是變??？小時，它的測量范圍變大還是變??？ a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)

6、構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關系）電容量與極板距離的關系1定極板定極板 2動極板動極板 2021-9-39三、變介電常數(shù)式三、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。就不同。表表5-1 5-1 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)2021-9-310變介電常數(shù)式電容傳感器的用途變介電常數(shù)式電容傳感器的用途 根據(jù)根據(jù)表表5-15-1，分析，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器不同介質(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

7、紙的影響。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大？可以用于測量什么時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？非電量？2021-9-311第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路 （調(diào)頻電路調(diào)頻電路 ） 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC LC 振蕩器諧振振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx 發(fā)發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應的變化。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電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)

8、別？式中哪些量是變量？有何區(qū)別？式中哪些量是變量？01 5-22fL C2021-9-312調(diào)頻（調(diào)頻（FM）電路）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？ 2021-9-313第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 電容器的容量受三個因素影響，即：極距電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積相對面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。固定其中兩個變。固定其中兩個變 量，電容量量，電容量C 就是另一個變量的一元函數(shù)。只要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、介電想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或

9、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)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。來達到非電量電測的目的。 一、電容式液位計一、電容式液位計 棒狀電極（金屬管）外棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套2021-9-315電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是

10、給出開關量。當液位到達設定開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平的型號。的型號。2021-9-316液位限位傳感器液位限位傳感器的設定的設定 智能化液位傳感器的設智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：定方法十分簡單： 用手指壓住設定按鈕，用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。號和控制信號。設定按鈕設定按鈕2021-9-317智能化液位限位傳

11、感器的設定按鈕智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈超限燈正常工作正常工作指示燈指示燈設定按鈕設定按鈕電源電源 指示燈指示燈2021-9-318二、硅微加工加速度傳感器二、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細圖示加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎，既能測量交加工技術(shù)為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作慣性力或重力加速度。其工作電壓為電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測，加速度測量范圍為數(shù)個量范圍為數(shù)個g g，可輸出與加，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的P

12、WM 脈脈沖。沖。2021-9-319微加工三軸加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標：技術(shù)指標： 靈敏度：靈敏度：500mV/g ， 量程：量程：10g， 頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點安裝諧振點:8kHz ， 分辨力：分辨力：0.00004g ， 重量：重量：200g ， 安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm ， 線性誤差：線性誤差：1% 1% 2021-9-320硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加速度測試單元加速度測試單元 2 2信號處理電路信號處理電路 3 3襯底襯底 4 4底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極） 5 5多晶硅懸臂梁多晶硅懸

13、臂梁 6 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極）2021-9-321 利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié) 構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C C1 1、C C2 2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。當于懸臂梁。 當它感受到上下振動時，當它感受到上下振動時，C C1 1、C C

14、2 2呈差動變化。與加速度測呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C C 轉(zhuǎn)換成直流輸轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應可于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應可達達1kHz1kHz以上，允許加速度范圍可達以上，允許加速度范圍可達10g 10g 以上以上。 如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速

15、度。器，就可以測量三維方向的振動或加速度。2021-9-322加速度傳感器在汽車中的應用加速度傳感器在汽車中的應用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，得的負加速度值超過設定值時， 微處理器微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰據(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，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。托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊2021-9-323汽車氣囊的保護作用汽車氣囊的保護作用

16、使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰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)使氣囊迅速充氣撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 2021-9-324汽車氣囊對駕駛員的保護作用汽車氣囊對駕駛員的保護作用2021-9-325利用加速度傳感器實現(xiàn)利用加速度傳感器實現(xiàn) 延時起爆的鉆地炸彈延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置2021-9-326三、濕敏電容三、濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為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。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)吸收空氣中的當相對濕度增大時，吸濕性介質(zhì)吸收空

17、氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)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)為大為增加（水的相對介電常數(shù)為8080），所以電），所以電容量增大。容量增大。 2021-9-327濕敏電容濕敏電容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜2021-9-328濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形2021-9-329濕敏電容傳感器的安裝使用濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型帶報警器的家庭使用型2021-9-330多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形 2021-9-331四、電容式油量表四、電容式油量表

18、機械式油量表：機械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流盤電位器，由電流表指示出油量。表指示出油量。2021-9-332電容式油量表電容式油量表 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m處。處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量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)（示值減小），同去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同時帶動時帶動RP的滑動臂移動

19、。當?shù)幕瑒颖垡苿?。當RP阻值達到一定值時，電橋又達阻值達到一定值時，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（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）。處）。 該油量該油量表屬于開環(huán)表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？環(huán)系統(tǒng)？2021-9-333 上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時可上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時可以使用嗎？為什么？以使用嗎？為什么？ 該油量該油量表可用于表可用于飛機油箱飛機油箱2021-9-334五、電容式接近開關五、電容式接近開關 被檢測物體可以是導電體、介質(zhì)損耗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、人較大的絕

20、緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）體等） ；可以是接地的，也可以是不接地；可以是接地的，也可以是不接地的。的。 調(diào)節(jié)接近開關尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位調(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。器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。 2021-9-335電容式接近開關外形電容式接近開關外形齊平式齊平式非齊平式非齊平式2021-9-336非齊平式非齊平式接近開關的安裝接近開關的安裝 非齊平式安裝時，傳感器高于安非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。裝支架，易損壞。2021-9-337全密封防水式全密封防水式遠距離式（大量程）遠距離式（大量程）2021-9-338電容接

21、近開關的規(guī)格電容接近開關的規(guī)格2021-9-339電容式接近開關在液位測量控制中的使用電容式接近開關在液位測量控制中的使用2021-9-340 電容式接近開關在電容式接近開關在 液位物位測量控制中的使用液位物位測量控制中的使用2021-9-341 電容式接近開關在物位測量控制電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示中的使用演示2021-9-342不同材料的非金屬檢測物對電容式接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近開關動作距離的影響2021-9-343本章作業(yè)：本章作業(yè)：P 94P 94：5 5、6 62021-9-344第五章：第四節(jié)第五章：第四節(jié) 壓力和流量的測量壓力和流量

22、的測量 一、壓力的基本概念一、壓力的基本概念 壓力的國際單位為壓力的國際單位為“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”（Pa）。）。 除此之外，工程界長期使用許多不同的除此之外，工程界長期使用許多不同的壓力計量單位。如壓力計量單位。如“工程大氣壓工程大氣壓”、“標準標準大氣壓大氣壓”、“毫米汞柱毫米汞柱”，氣象學中還用，氣象學中還用“巴巴”（bar）和）和“托托”為壓力單位。這些為壓力單位。這些單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。 2021-9-345壓力單位轉(zhuǎn)換對照表壓力單位轉(zhuǎn)換對照表 2021-9-346二、電容式差壓變送器二、電容式差壓變送器 高壓

23、側(cè)高壓側(cè)進氣口進氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進氣口進氣口電子電子線路線路位置位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置2021-9-347電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 1高壓側(cè)進氣口高壓側(cè)進氣口 2 2低壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口 3 3過濾片過濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波 紋隔離膜片紋隔離膜片 6 6導壓硅油導壓硅油 7 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔2021-9-348各種電容式差各種電容式差壓變送器外形壓變送器外形 2021-9-349各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）各種電容式壓力變

24、送器外形（續(xù)） （參考（參考丹東長丹東長隆隆 自控有限公自控有限公司司 資料）資料）法蘭法蘭2021-9-350各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）各種電容式壓力變送器外形（續(xù)） 2021-9-351三、利用電容差壓變送器三、利用電容差壓變送器測量液體的液位測量液體的液位 差壓變送器差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：的壓力與液位成正比： p = g h2021-9-352電容差壓變送器用于測量電容差壓變送器用于測量液體的液位液體的液位 投入式水位計投入式水位計2021-9-353四、流量的基本概念四、流量的基本概念 體積流量體積流量qV=Av，單位為，單位為m3/h或

25、或L/s； 質(zhì)量流量質(zhì)量流量qm= Av，單位為，單位為t /h或或kg/s。 例：設測得流速例：設測得流速v =10m/s ，圓管道，圓管道的直徑的直徑r =1m，則截面積，則截面積A=0.79m2 ，流量流量qV V= 7.9m3 /s 。2021-9-354五、節(jié)流式流量計及電容差壓變送器在五、節(jié)流式流量計及電容差壓變送器在流量測量中的應用流量測量中的應用 測量流量的方法很多，有流速法、容積法、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、多輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、

26、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。按照普勒式、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。式流量計。 2021-9-355葉輪式風流速、葉輪式風流速、流量計流量計 （參考北京北方大河儀器儀表（參考北京北方大河儀器儀表 有限公司資料）有限公司資料）2021-9-356玻璃轉(zhuǎn)子玻璃轉(zhuǎn)子流量計流量計流體入口流體入口流體出口流體出口轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子2021-9-357差壓節(jié)流式流量計差壓節(jié)流式流量計 所謂節(jié)流裝置，就是在管道中段設置一個所謂節(jié)流裝置，就是在管道中段設置一個流通面積比管道狹窄的孔板或者文丘里噴嘴，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，流束局部收縮，流使流體經(jīng)過該節(jié)流裝置時，流束局部收縮，流速提高，壓強減小。速提高，壓強減小。 節(jié)流式流量計的缺點是流體通過節(jié)流裝置節(jié)流式流量計的缺點是流體通過節(jié)流裝置后，會產(chǎn)生不可逆的壓力損失。另外，當流體后，會產(chǎn)生不可逆的壓力損失。另外，當流體的溫度的溫度t 、壓力、壓力p1變化時，流體的密度將隨之改變化時，流體的密度將隨之改變。所以必須進行溫度、壓力修正