第五章電容式傳感器

1、機(jī)電類自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用多媒體課件 （共（共13章，第五章）章，第五章）統(tǒng)一書號(hào)：統(tǒng)一書號(hào)：ISBN 978-7-111-34300-4課程配套網(wǎng)站www.sensor-或或 2012年年7月版月版第五章第五章 電容傳感器電容傳感器本章介紹電容傳感器的分類、結(jié)構(gòu)、基本本章介紹電容傳感器的分類、結(jié)構(gòu)、基本原理及應(yīng)用，原理及應(yīng)用，重點(diǎn)介紹重點(diǎn)介紹FM調(diào)頻電路調(diào)頻電路。還。還介紹介紹硅微機(jī)械加工技術(shù)硅微機(jī)械加工技術(shù)制作的擺式硅微電制作的擺式硅微電容加速度傳感器，容加速度傳感器，電容接近開(kāi)關(guān)電容接近開(kāi)關(guān)，以及，以及壓壓力、液位、流量力、液位、流量的基本概念，測(cè)量方法等。的基本概念，測(cè)量方法等。5.1

2、電容傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式5.2 電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路5.3 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用5.4 壓力、液位和流量的測(cè)量壓力、液位和流量的測(cè)量 第五章第五章 電容傳感器電容傳感器 目錄目錄進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容傳感器以各種類型的電容器作為傳感器電容傳感器以各種類型的電容器作為傳感器元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。電容傳感

3、器具有如下優(yōu)點(diǎn)：電容傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可獲得可獲得100%以上的相對(duì)變化量以上的相對(duì)變化量 。（2）能在惡劣的環(huán)境條件下工作。）能在惡劣的環(huán)境條件下工作。（3）所需的激勵(lì)源功率小所需的激勵(lì)源功率小，本身發(fā)熱問(wèn)題可，本身發(fā)熱問(wèn)題可不予考慮。不予考慮。（4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)比電感傳感器快動(dòng)態(tài)響應(yīng)比電感傳感器快。電容器在收音機(jī)中的應(yīng)用電容器在收音機(jī)中的應(yīng)用并聯(lián)在收音機(jī)并聯(lián)在收音機(jī)LC諧振電路的電感兩端的電容量諧振電路的電感兩端的電容量越大，所接收到的電臺(tái)的頻率就越低。越大，所接收到的電臺(tái)的頻率就越低。電容器在收音機(jī)中，用于改變諧振頻率，電容器在收音機(jī)中，用于改變諧振頻率，從而調(diào)整所要接收的電臺(tái)。從而

4、調(diào)整所要接收的電臺(tái)。變?nèi)荻O管在收音機(jī)中的應(yīng)用變?nèi)荻O管在收音機(jī)中的應(yīng)用并聯(lián)在變?nèi)荻O管兩端的反向偏置電壓越大，并聯(lián)在變?nèi)荻O管兩端的反向偏置電壓越大，PN結(jié)就結(jié)就越厚，上下極板（越厚，上下極板（P極和極和N極）的極）的“間距間距”就越大，等就越大，等效電容就越小，收音機(jī)諧振電路的頻率就越低。效電容就越小，收音機(jī)諧振電路的頻率就越低。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)形式電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來(lái)電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來(lái)說(shuō)明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容為說(shuō)明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容為式中式中 A兩極板相互遮蓋的有效面積（兩極板相

5、互遮蓋的有效面積（m2）；）；d兩極板間的距離，也稱為極距（兩極板間的距離，也稱為極距（m）；）； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；）；r兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù),0=8.85 10-12(F/m)0rAACdd 電容器的邊緣效應(yīng)電容器的邊緣效應(yīng)理想電容器的理想電容器的電場(chǎng)線是直線電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只而實(shí)際電容器只有中間區(qū)域是直線有中間區(qū)域是直線,越往外電場(chǎng)線彎曲的越厲害越往外電場(chǎng)線彎曲的越厲害。到電容邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害，這種電場(chǎng)線到電容邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害，這種電場(chǎng)線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。在彎曲

6、現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。在基板面積較小時(shí)，基板面積較小時(shí)，將引起測(cè)量誤差將引起測(cè)量誤差。 三種類型的電容傳感器三種類型的電容傳感器在在A、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量，均可使電容C 改變改變。也就是說(shuō)，電容。也就是說(shuō)，電容C 是是A、d、的函數(shù)，這就是電容傳感器的基本工作原的函數(shù)，這就是電容傳感器的基本工作原理。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以制作成以下理。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以制作成以下三種類型的電容傳感器：三種類型的電容傳感器：變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器、變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 、變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器。

7、一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器CCCd0A xxd01定極板定極板 2動(dòng)極板動(dòng)極板 3外圓筒外圓筒 4內(nèi)圓筒內(nèi)圓筒 5導(dǎo)軌導(dǎo)軌 6測(cè)桿測(cè)桿 7被測(cè)物被測(cè)物 8水平基準(zhǔn)水平基準(zhǔn)變面積式電容傳感器簡(jiǎn)析變面積式電容傳感器簡(jiǎn)析圖圖a是是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板，其中極板1可以左右可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。固定不動(dòng)，稱為定極板。圖圖b b是是同心圓筒同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。平行板形變面積式電容傳感器的容量

8、變化平行板形變面積式電容傳感器的容量變化設(shè)兩極板原來(lái)的遮蓋長(zhǎng)度為設(shè)兩極板原來(lái)的遮蓋長(zhǎng)度為a0，極板寬度為，極板寬度為b，極距固定為極距固定為d0，當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)物體向左移動(dòng)，當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)物體向左移動(dòng)x后，兩極板的遮蓋面積后，兩極板的遮蓋面積A將減小，電容也隨之將減小，電容也隨之減小，電容減小，電容Cx 為為式中式中 C0初始電容值初始電容值在變面積電容傳感器中，在變面積電容傳感器中，電容電容Cx與直線位移與直線位移x成正比成正比。0000(a)1 xbxxCCda000a bCd角位移式的結(jié)構(gòu)角位移式的結(jié)構(gòu)1-1-動(dòng)極板動(dòng)極板 2-2-定極板定極板極板極板2 2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角

9、位移的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移 度時(shí)，度時(shí)，兩極板的遮蓋面積兩極板的遮蓋面積A A 就減小，因而電容量也隨之減小。就減小，因而電容量也隨之減小。保持極距保持極距d0不變不變C角位移角位移A圓筒形直線位移傳感器圓筒形直線位移傳感器外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)內(nèi)圓筒的設(shè)內(nèi)圓筒的外半徑外半徑、外圓筒的、外圓筒的內(nèi)半徑內(nèi)半徑分別為分別為R和和r，兩，兩者原來(lái)的遮蓋長(zhǎng)度為者原來(lái)的遮蓋長(zhǎng)度為h0，電容量與位移成正比：，電容量與位移成正比：00021 ln/xhxxCCR rhCxAA變面積式電容傳感器的特性總結(jié)變面積式電容傳感器的特

10、性總結(jié)變面積式電容傳感器的輸出特性在變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范一小段范圍圍內(nèi)是線性的內(nèi)是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器，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。多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。CAA1-實(shí)際特性實(shí)際特性 2-理論特性理論特性二、變極距式電容傳感器二、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變了兩極板之間的距離d d，從而使電容量發(fā)，從而使電容量發(fā)生變化。生變化。 實(shí)際使用時(shí)，總是使實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距初始極距d0盡量小盡量小些些，以，以提高靈敏度提高靈

11、敏度，但這也帶來(lái)了變極距，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的式電容器的行程較小的缺點(diǎn)行程較小的缺點(diǎn)。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，從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使為了提高靈敏度，應(yīng)使d d0 0小一小一些為好些為好，但行程變小（動(dòng)靜極板接觸）但行程變?。▌?dòng)靜極板接觸）。 a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系）電容量與極板距離的關(guān)系1定極板定極板 2動(dòng)極板動(dòng)極板 3 3彈性膜片彈性膜片變極距式電容傳感器的特性及靈敏度變極距式電容傳感器的特性及靈敏度 設(shè)初始極距為設(shè)初始極距為d0，當(dāng)動(dòng)極板向上位移時(shí)，極板，當(dāng)動(dòng)極板向上位移時(shí)，極板間距減小

12、了間距減小了x值后，其電容變大。設(shè)，則有值后，其電容變大。設(shè)，則有電容電容Cx與位移與位移x不是線性關(guān)系，其靈敏度不是線性關(guān)系，其靈敏度Kx不為常數(shù)：不為常數(shù)：20dd()xxCAKxdx 0001 xAxCCdxdx差動(dòng)式電容傳感器差動(dòng)式電容傳感器 a a）差動(dòng)變極距式）差動(dòng)變極距式 b b）差動(dòng)變面積式）差動(dòng)變面積式 1 1動(dòng)極板動(dòng)極板 2 2定極板定極板差動(dòng)電容傳感器的靈差動(dòng)電容傳感器的靈敏度提高近一倍，線性也敏度提高近一倍，線性也得到改善。外界的影響諸得到改善。外界的影響諸如溫度、激勵(lì)源電壓、頻如溫度、激勵(lì)源電壓、頻率變化等也基本能相互抵率變化等也基本能相互抵消。電容傳感器的非線性消。

13、電容傳感器的非線性誤差還可以進(jìn)一步用計(jì)算誤差還可以進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算修正機(jī)來(lái)計(jì)算修正 。差動(dòng)式電容傳感器特性曲線差動(dòng)式電容傳感器特性曲線1-上面的電容特性上面的電容特性 2-下面的電容特性下面的電容特性 3-差動(dòng)特性差動(dòng)特性線性好，靈敏度高線性好，靈敏度高 A1A2C1C21-上、下外電極引線上、下外電極引線 2-接地電極接地電極三、變介電常數(shù)式三、變介電常數(shù)式 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)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(shí)，電容器的電容量也就器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)變介

14、電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器 當(dāng)某種被測(cè)介質(zhì)處于兩極板間時(shí)，介質(zhì)的厚度當(dāng)某種被測(cè)介質(zhì)處于兩極板間時(shí)，介質(zhì)的厚度越大，越大，電容電容C也就越大。也就越大。C等效于空氣所引起的電容等效于空氣所引起的電容C1和被測(cè)和被測(cè)介質(zhì)所引起的電容介質(zhì)所引起的電容C2的并聯(lián)的并聯(lián)式中式中 C1空氣介質(zhì)引起的等效電容；空氣介質(zhì)引起的等效電容；C2被測(cè)介質(zhì)引起的等效電容；被測(cè)介質(zhì)引起的等效電容；介質(zhì)的厚度；介質(zhì)的厚度； d極距極距00012111/1/1/1/rrACAACCdd 磁粉 制動(dòng)器勵(lì)磁信號(hào)電動(dòng)機(jī)張力信號(hào)張力傳感器張力傳感器信號(hào)處理器厚度信號(hào)絕緣薄膜張力及厚度測(cè)量系統(tǒng)絕緣薄膜張力及厚度測(cè)量系統(tǒng)

15、拉力拉力上下極板上下極板變介電常數(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 不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響很大。當(dāng)不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響很大。當(dāng)介質(zhì)介質(zhì)厚度厚度保持不變保持不變、而、而相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)r改變改變時(shí)，該電容器時(shí)，該電容器可作為相對(duì)介電常數(shù)可作為相對(duì)介電常數(shù)r的測(cè)試儀器的測(cè)試儀器。又如，。又如，當(dāng)空氣濕當(dāng)空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣（度變化，介質(zhì)吸入潮氣（r水水=80）時(shí)，電容將發(fā)生較）時(shí)，電容將發(fā)生較大的變化。因此該電容器又可作為空氣相對(duì)濕度傳感大的變化。因此該電容器又可作為空氣相對(duì)濕度傳感器器。反之，。反之，若若r不變，則可作為檢測(cè)介質(zhì)厚度的傳感不變，則

16、可作為檢測(cè)介質(zhì)厚度的傳感器器。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 當(dāng)某種被測(cè)介質(zhì)處于兩極板間時(shí)，介質(zhì)的厚度當(dāng)某種被測(cè)介質(zhì)處于兩極板間時(shí)，介質(zhì)的厚度越大，越大，電容電容C也就越大。也就越大。C等效于空氣所引起的電容等效于空氣所引起的電容C1和被和被測(cè)介質(zhì)所引起的電容測(cè)介質(zhì)所引起的電容C2的的串聯(lián)：串聯(lián)：式中：式中：C1空氣介質(zhì)引起的等效電容；空氣介質(zhì)引起的等效電容；C2被測(cè)介質(zhì)引起的等效電容；被測(cè)介質(zhì)引起的等效電容； 介質(zhì)的厚度；介質(zhì)的厚度；d極距極距00012111/1/1/1/rrACAACCdd 電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)( (可以理解為變面積或變介電原理可以理解為變面

17、積或變介電原理) )a)同軸內(nèi)外金屬管式同軸內(nèi)外金屬管式 b)金屬管外套聚四氟金屬管外套聚四氟乙烯套管式乙烯套管式 c)帶底座的電容液位帶底座的電容液位傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器的結(jié)構(gòu)1內(nèi)圓筒內(nèi)圓筒 2外圓筒外圓筒 3被測(cè)絕緣液體被測(cè)絕緣液體 4被測(cè)導(dǎo)電液體被測(cè)導(dǎo)電液體5聚四氟乙烯套管聚四氟乙烯套管 6頂蓋頂蓋 7絕緣底絕緣底座座 8信號(hào)傳輸屏信號(hào)傳輸屏蔽電纜蔽電纜電容電容Ch與液面高度與液面高度h(從管狀電極底部算起從管狀電極底部算起)的關(guān)系式為的關(guān)系式為式中式中 h 1:電容器極板高度；電容器極板高度；r：內(nèi)圓管狀電極的外半徑；：內(nèi)圓管狀電極的外半徑；R：外圓管狀電極的內(nèi)半徑；：外圓管狀電極的內(nèi)半

18、徑；h：不考慮安裝高度時(shí)的液：不考慮安裝高度時(shí)的液位位;0：真空介電常數(shù)（空氣的介電常數(shù)與之相近）；：真空介電常數(shù)（空氣的介電常數(shù)與之相近）；r1：被測(cè)液體的相對(duì)介電常數(shù)；：被測(cè)液體的相對(duì)介電常數(shù)；1：被測(cè)液體的介電常數(shù)；：被測(cè)液體的介電常數(shù)；1=r10。101101 001122ln/ln/222 1 ln/ln/ln/hrhhhCCCR rR rhhhhR rR rR r 空液（5-11）變面積式電容式液位計(jì)（導(dǎo)電液體）變面積式電容式液位計(jì)（導(dǎo)電液體）棒狀電極（不銹鋼金屬管）棒狀電極（不銹鋼金屬管）外面包裹聚外面包裹聚四氟乙烯套管四氟乙烯套管，不銹鋼金屬管的下半部分，不銹鋼金屬管的下半部分

19、與導(dǎo)電液體之間構(gòu)成電容，兩者之間的介與導(dǎo)電液體之間構(gòu)成電容，兩者之間的介質(zhì)就是聚四氟乙烯薄層。質(zhì)就是聚四氟乙烯薄層。當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電棒狀電極與導(dǎo)電液體之間有效高度增大。由于聚極與導(dǎo)電液體之間有效高度增大。由于聚四氟乙烯的介電常數(shù)是空氣的四氟乙烯的介電常數(shù)是空氣的2倍，所以電倍，所以電容變大容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路常見(jiàn)的有常見(jiàn)的有變壓器橋式電路變壓器橋式電路、雙雙T電橋電路電橋電路、脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路、FM調(diào)頻電路調(diào)頻電路等。等。FM調(diào)頻電路調(diào)頻電路調(diào)頻電路

20、是調(diào)頻電路是將電容傳感器作為將電容傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振蕩器諧振回路的一部分振回路的一部分，當(dāng)電容，當(dāng)電容Cx變大時(shí)，振蕩器的變大時(shí)，振蕩器的頻率頻率f 變低。由于振蕩器的頻率受電容傳感器變低。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)C /f 的變換。的變換?；啬夸浕啬夸浾{(diào)頻（調(diào)頻（FM）電路）電路TTL電平的高電平和低電平電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？電壓范圍分別是多少伏？ 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的的調(diào)頻電路調(diào)頻電路有何區(qū)別？上式中有何區(qū)別？上式中哪個(gè)量是變量哪個(gè)量是變量？脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制電路電路利用某種方法對(duì)半導(dǎo)體

21、開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行利用某種方法對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，在電路的輸出端得到一系列按一定規(guī)律變化的、控制，在電路的輸出端得到一系列按一定規(guī)律變化的、幅值相等，寬度不相等的脈沖。幅值相等，寬度不相等的脈沖。脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制電路分析電路分析當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出為高電平時(shí)，端輸出為高電平時(shí)，A點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)通過(guò)R1對(duì)對(duì)C1充電充電，F(xiàn)點(diǎn)電位逐漸升高。在點(diǎn)電位逐漸升高。在Q端為高電平期間，端為高電平期間，Q端為低電平，電容端為低電平，電容C2通過(guò)低內(nèi)阻的二極管通過(guò)低內(nèi)阻的二極管VD2迅速迅速放電放電，G點(diǎn)電位被鉗制在低電平。點(diǎn)電位被鉗制在低電平。當(dāng)當(dāng)F點(diǎn)電位升高超過(guò)點(diǎn)電位

22、升高超過(guò)參考電壓參考電壓UR時(shí)，比較器時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)“置零脈沖置零脈沖”，觸，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)跳變?yōu)榈碗娢?，點(diǎn)跳變?yōu)榈碗娢?，B點(diǎn)跳變?yōu)辄c(diǎn)跳變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)高電位。此時(shí)C1經(jīng)二極管經(jīng)二極管VD1迅速放電，迅速放電，F(xiàn)點(diǎn)被鉗制在點(diǎn)被鉗制在低電平，而同時(shí)低電平，而同時(shí)B點(diǎn)高電位經(jīng)點(diǎn)高電位經(jīng)R2向向C2充電。充電。當(dāng)當(dāng)G點(diǎn)電位點(diǎn)電位超過(guò)超過(guò)UR時(shí)，比較器時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)“置置1脈沖脈沖”，使觸發(fā)使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，器再次翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)恢復(fù)為高電位，點(diǎn)恢復(fù)為高電位，B點(diǎn)恢復(fù)為低電位點(diǎn)恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生如此周而

23、復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個(gè)寬度受一個(gè)寬度受C1、C2調(diào)制的脈沖波形。調(diào)制的脈沖波形。當(dāng)當(dāng)C1C2時(shí)，時(shí)，t1t2，經(jīng)低通濾波器后，獲得的輸出電壓平均值經(jīng)低通濾波器后，獲得的輸出電壓平均值Uo為正值為正值。脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制電路的輸出波形電路的輸出波形a）C1=C2時(shí)的波形時(shí)的波形 b）C1C2時(shí)的波形時(shí)的波形二極管雙二極管雙T形交流電橋電路形交流電橋電路 Ui是頻率為是頻率為f的高頻激勵(lì)電源的高頻激勵(lì)電源(約約1MHz)，它提供了，它提供了幅值對(duì)稱的方波。幅值對(duì)稱的方波。VD1、VD2為特性完全相同的兩只為特性完全相同的兩只二極管二極管,固定電阻固定電阻R1=R2=R，C1、C2

24、為傳感器的兩個(gè)差為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，初始值動(dòng)電容，初始值C1=C2 。 在在Ui為正半周時(shí)，為正半周時(shí)，VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2截止，截止，于是電容于是電容C1快速充電快速充電到到Ui的幅值的幅值，有電流有電流i1流過(guò)流過(guò)RL。 在隨后的在隨后的負(fù)半周期間，負(fù)半周期間，VD1截止、截止、VD2導(dǎo)通，于是電導(dǎo)通，于是電容容C2快速充電到快速充電到Ui的幅值的幅值,而電容而電容C1放電放電。有電流。有電流i2逆逆向流過(guò)向流過(guò)RL。二極管雙二極管雙T形交流電橋電路分析形交流電橋電路分析 在初始狀態(tài)，由于在初始狀態(tài)，由于C1=C2，所以電流，所以電流i1=i2，且方向相，且方向相反，反，在一個(gè)周期

25、內(nèi)流過(guò)在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流的平均電流IL=0。 若差動(dòng)電容傳感器的若差動(dòng)電容傳感器的C1C2，則，則i1i2。在一個(gè)周期內(nèi)在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)流過(guò)RL的平均電流的平均電流IL就不為零就不為零，輸出電壓，輸出電壓Uo在一個(gè)周期內(nèi)平均值為在一個(gè)周期內(nèi)平均值為當(dāng)當(dāng)為常數(shù)時(shí)，有：為常數(shù)時(shí)，有： 輸出電壓輸出電壓Uo與雙與雙T形電橋電路中的電容形電橋電路中的電容C1和和C2的差值的差值成正比成正比。 oLLL120LLi122L1 ( )( )d(2)()()TUR IRi ti ttTR RRR U f CCRRoi12T()UU f M CCK CLL2L(2)()R RRRMRR二極管雙二極

26、管雙T形交流電橋電路特點(diǎn)形交流電橋電路特點(diǎn)電路的靈敏度電路的靈敏度KT與激勵(lì)電源電壓幅值與激勵(lì)電源電壓幅值Ui以及頻率以及頻率f有有關(guān)關(guān)，故對(duì)激勵(lì)電源穩(wěn)定型要求較高。，故對(duì)激勵(lì)電源穩(wěn)定型要求較高。選取選取Ui的幅值高的幅值高于二極管死區(qū)電壓的于二極管死區(qū)電壓的10倍以上倍以上，可使二極管，可使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域。工作在線性區(qū)域。R1、R2及及RL的取值范圍為的取值范圍為10100k。可以可以在在RL之后設(shè)置低通濾波器，能獲得平穩(wěn)的直流輸之后設(shè)置低通濾波器，能獲得平穩(wěn)的直流輸出電壓出電壓。雙雙T形電橋電路具有以下特點(diǎn)：形電橋電路具有以下特點(diǎn)：電路較為簡(jiǎn)單；電路較為簡(jiǎn)單；差動(dòng)電容傳

27、感器、信號(hào)源、負(fù)差動(dòng)電容傳感器、信號(hào)源、負(fù)載載有一個(gè)公共的接地點(diǎn)，不易受干擾；有一個(gè)公共的接地點(diǎn)，不易受干擾；VD1和和VD2工工作在伏安特性的線性段，死區(qū)電壓影響較?。蛔髟诜蔡匦缘木€性段，死區(qū)電壓影響較??；輸出輸出信號(hào)為幅值較高的直流電壓。信號(hào)為幅值較高的直流電壓。第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極極距距 x、相對(duì)面積相對(duì)面積 A 和和極間介電常數(shù)極間介電常數(shù) 。固定固定其中兩個(gè)變其中兩個(gè)變 量，電容量量，電容量C 就是另一個(gè)變量就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)的一元函數(shù)。只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換。只要想辦法將被

28、測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成成極距或者面積、介電常數(shù)的變化極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。測(cè)的目的。 回目錄回目錄電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四棒狀電極（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)電液體之間的時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。電容變大。液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別別在于：它在于：它不給出模擬量不給出模擬量，而是，而是給出給出開(kāi)關(guān)量開(kāi)關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值

29、時(shí)，它輸。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出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的系列。平的系列。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位限位傳感器液位限位傳感器的設(shè)定的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方智能化液位傳感器的設(shè)定方法：法： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈超限燈正常工

30、作正常工作指示燈指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源電源 指示燈指示燈電容加速度傳感器電容加速度傳感器微電子機(jī)械系統(tǒng)（微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)）技術(shù)可以將一塊多晶硅可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)，制作加工成多層結(jié)構(gòu)，制作“三明治三明治”擺式硅微電容加速擺式硅微電容加速度傳感器。度傳感器。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容成差動(dòng)電容C1、C2。底層多晶硅和頂層多晶硅固定不。底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片，左左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁

31、。它的核心部分。它的核心部分可以小于可以小于3mm左右，與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一起封裝在貼左右，與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一起封裝在貼片片IC封裝中。工作電壓為封裝中。工作電壓為2.75V，加速度測(cè)量范圍為，加速度測(cè)量范圍為幾十個(gè)幾十個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓。，可輸出與加速度成正比的電壓?！叭髦稳髦巍睌[式硅微電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)擺式硅微電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)1 1加速度測(cè)試單元加速度測(cè)試單元 2 2信號(hào)調(diào)理單元信號(hào)調(diào)理單元 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臂梁 6 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極） a）貼片）貼片封裝外形封裝外形 b）“三

32、三明治明治”多多晶硅多層晶硅多層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c）加速）加速度測(cè)試單度測(cè)試單元的工作元的工作原理原理硅微加工三軸加速度傳感器硅微加工三軸加速度傳感器 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。度。 技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)：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(diǎn)：安裝諧振點(diǎn)：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

33、% 1% 加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 當(dāng)測(cè)得的當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，氣囊電控單元，氣囊電控單元據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，就據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。和頭部。 裝有多種裝有多種碰撞參數(shù)測(cè)碰撞參數(shù)測(cè)量傳感器的量傳感器的假人假人氣囊氣囊汽車氣囊的膨脹狀態(tài)汽車氣囊的膨脹狀態(tài)使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控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)使氣囊迅速充氣制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。如果碰撞傳

34、感器安裝在側(cè)面，則在側(cè)面碰撞時(shí)，如果碰撞傳感器安裝在側(cè)面，則在側(cè)面碰撞時(shí)，側(cè)面氣囊膨脹。側(cè)面氣囊膨脹。 汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用測(cè)試假人濕敏電容濕敏電容 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(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的當(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)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)為大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為8080），所以電），所以電容量增大。容量增大。

35、濕敏電容濕敏電容 a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)）內(nèi)部結(jié)構(gòu) b）電容和漏電阻的濕度特性）電容和漏電阻的濕度特性 c）封裝后的外形）封裝后的外形1鋁電極鋁電極 2單晶硅基底單晶硅基底 3SiO2 絕緣膜絕緣膜 4多孔多孔Au電極電極5吸濕層吸濕層Al2O3 6引線引線 7電容與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線電容與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線 8漏電阻與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線漏電阻與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線濕敏電容濕敏電容外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部的吸水內(nèi)部的吸水高分子薄膜高分子薄膜信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形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(bào)警器的家庭使

36、用型帶報(bào)警器的家庭使用型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 電容式油量表電容式油量表 機(jī)械式油量表：機(jī)械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝有在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過(guò)杠桿的浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表電位器，由電流表指示出油量。指示出油量。2022-1-254電接點(diǎn)水位計(jì)電接點(diǎn)水位計(jì) 由測(cè)量筒、電極、由測(cè)量筒、電極、電纜、顯示器等組成電纜、顯示器等組成。電極是檢測(cè)水電極是檢測(cè)水/ /汽的汽的探頭探頭，采用特種不銹，采用特種不銹鋼制造，絕緣體使用鋼制造，絕緣體使用高純度陶瓷，陶瓷和高純度陶瓷，陶瓷和金屬本體之間的壓

37、力金屬本體之間的壓力密封采用真空焊接工密封采用真空焊接工藝。藝。鍋爐中的水面以鍋爐中的水面以下的電極輸出低電平下的電極輸出低電平，以上為高電平以上為高電平，采用采用中頻激勵(lì)中頻激勵(lì)。接接24芯芯電纜電纜電接點(diǎn)電極電接點(diǎn)電極電容式油量表電容式油量表當(dāng)油箱中無(wú)油時(shí)，電容傳感器的電容當(dāng)油箱中無(wú)油時(shí)，電容傳感器的電容Cx 0為最小值。為最小值。此時(shí)應(yīng)使電橋輸出為零。油量表調(diào)零過(guò)程如下：首先此時(shí)應(yīng)使電橋輸出為零。油量表調(diào)零過(guò)程如下：首先斷開(kāi)減速箱與斷開(kāi)減速箱與RP的機(jī)械連接，將的機(jī)械連接，將RP人為地調(diào)到零，即：人為地調(diào)到零，即：電位器電位器RP的滑動(dòng)臂位于的滑動(dòng)臂位于0點(diǎn)。此時(shí)點(diǎn)。此時(shí)R3=R4。再調(diào)

38、節(jié)半可。再調(diào)節(jié)半可變電容變電容C0，使，使C0=Cx 0，；此時(shí)，電橋滿足：，；此時(shí)，電橋滿足：Cx04C03XRXRx004x0301212fCCRCRfC或：或：電容式油量表示意圖電容式油量表示意圖1油箱油箱 2圓柱形電容器圓柱形電容器 3伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) 4減速減速箱箱 5油量表油量表2022-1-257電容式油量表示意圖電容式油量表示意圖當(dāng)油箱中注入油，液位上升至當(dāng)油箱中注入油，液位上升至h處，處，Cx=Cx0+Cx，Cx與與h成正比。此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓成正比。此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Ubdo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，再由減速箱減速后，帶經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，

39、再由減速箱減速后，帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂向的滑動(dòng)臂向c點(diǎn)移動(dòng)，點(diǎn)移動(dòng)，從而使從而使RP的阻值增大的阻值增大，Rcd =R3+RRP也隨之增大也隨之增大。當(dāng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)阻值達(dá)到一定值時(shí)，(Cx0+Cx)/C0=(R3+RRP)/R4，電橋，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Ubdo再次等于零，于是伺服電動(dòng)再次等于零，于是伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為max處。處。當(dāng)油位降低時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)油位降低時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)的滑動(dòng)臂移動(dòng),使使RP

40、阻值減小。當(dāng)阻值減小。當(dāng)RP阻值阻值達(dá)到某一數(shù)值時(shí)達(dá)到某一數(shù)值時(shí),電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于，于是伺服電動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn)是伺服電動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn),指針停留在與該液位相對(duì)應(yīng)的指針停留在與該液位相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角處。處。該裝置采用了閉環(huán)零位式測(cè)量方法該裝置采用了閉環(huán)零位式測(cè)量方法。電容式油量表可工作在電容式油量表可工作在3030傾斜狀態(tài)傾斜狀態(tài)電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān) 被檢測(cè)物體可以是被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體（例如飼料、人體等等) ；可以是接地的，也可以是不接地的可以是接地的，也可以

41、是不接地的。 調(diào)節(jié)接調(diào)節(jié)接近開(kāi)關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被近開(kāi)關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測(cè)物的性質(zhì)，來(lái)改變測(cè)物的性質(zhì)，來(lái)改變動(dòng)作距離動(dòng)作距離。 電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān) 1被測(cè)物被測(cè)物 2上檢測(cè)極板（或內(nèi)圓電極）上檢測(cè)極板（或內(nèi)圓電極） 3下檢測(cè)極板（或外圓電極）下檢測(cè)極板（或外圓電極） 4充填樹(shù)脂充填樹(shù)脂 5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路板測(cè)量轉(zhuǎn)換電路板 6塑料外殼塑料外殼 7靈敏度調(diào)節(jié)電位器靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP 8動(dòng)作指示燈動(dòng)作指示燈 9電纜電纜 UR比較器的基準(zhǔn)電壓比較器的基準(zhǔn)電壓電容接近開(kāi)關(guān)的工作原理電容接近開(kāi)關(guān)的工作原理電容接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)板由兩個(gè)同心圓金屬平面電極電容接近開(kāi)關(guān)的感

42、應(yīng)板由兩個(gè)同心圓金屬平面電極構(gòu)成。構(gòu)成。當(dāng)沒(méi)有被測(cè)物體靠近電容接近開(kāi)關(guān)時(shí)，由于當(dāng)沒(méi)有被測(cè)物體靠近電容接近開(kāi)關(guān)時(shí)，由于C1與與C2很小，很小，RC振蕩器停振。當(dāng)被測(cè)物體朝著電容接近開(kāi)關(guān)振蕩器停振。當(dāng)被測(cè)物體朝著電容接近開(kāi)關(guān)的兩個(gè)同心圓電極靠近時(shí)，兩個(gè)電極與被測(cè)物體構(gòu)成的兩個(gè)同心圓電極靠近時(shí)，兩個(gè)電極與被測(cè)物體構(gòu)成電容電容C，接到，接到RC振蕩回路中，等效電容振蕩回路中，等效電容C等于等于C1、C2的串聯(lián)結(jié)果。的串聯(lián)結(jié)果。電容接近開(kāi)關(guān)的工作原理（續(xù)）電容接近開(kāi)關(guān)的工作原理（續(xù)）當(dāng)當(dāng)C增大到設(shè)定數(shù)值后，增大到設(shè)定數(shù)值后，RC振蕩器起振振蕩器起振。振。振蕩器的蕩器的高頻輸出電壓高頻輸出電壓uo經(jīng)二極管

43、檢波和低通濾經(jīng)二極管檢波和低通濾波器，得到正半周的平均值波器，得到正半周的平均值。再經(jīng)直流電壓放。再經(jīng)直流電壓放大電路放大后，大電路放大后，Uo1與靈敏度調(diào)節(jié)電位器與靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP設(shè)設(shè)定的基準(zhǔn)電壓定的基準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行比較進(jìn)行比較。若若Uo1超過(guò)基準(zhǔn)電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓時(shí)時(shí),比較器翻轉(zhuǎn)比較器翻轉(zhuǎn),輸出動(dòng)作信號(hào)輸出動(dòng)作信號(hào)(高電平或低電平高電平或低電平),從而起到了檢測(cè)有無(wú)物體靠近的目的。從而起到了檢測(cè)有無(wú)物體靠近的目的。電容接近開(kāi)關(guān)的調(diào)試電容接近開(kāi)關(guān)的調(diào)試接近開(kāi)關(guān)的輸出有接近開(kāi)關(guān)的輸出有NPN、PNP和和AC兩線制兩線制等多種型等多種型式。式。Rf在比較器電路中起正反饋?zhàn)饔?，使比較器具有在比較

44、器電路中起正反饋?zhàn)饔?，使比較器具有施密特特性施密特特性。Rf越小，翻轉(zhuǎn)時(shí)的回差就越大，抗干擾能力就越強(qiáng)，越小，翻轉(zhuǎn)時(shí)的回差就越大，抗干擾能力就越強(qiáng)，通常將通常將回差控制在動(dòng)作距離的回差控制在動(dòng)作距離的20%之內(nèi)之內(nèi)。比較器之后設(shè)置了比較器之后設(shè)置了OC門輸出級(jí)電路，有較大的負(fù)載門輸出級(jí)電路，有較大的負(fù)載能力。通?？梢则?qū)動(dòng)能力。通?？梢则?qū)動(dòng)100mA的感性負(fù)載，或的感性負(fù)載，或300mA的的阻性負(fù)載阻性負(fù)載。當(dāng)被測(cè)物是導(dǎo)電物體時(shí)，即使兩者的距離較遠(yuǎn)，但當(dāng)被測(cè)物是導(dǎo)電物體時(shí)，即使兩者的距離較遠(yuǎn)，但等效電容等效電容C仍較大，仍較大，RC回路較容易起振，所以靈敏度回路較容易起振，所以靈敏度較高較高。物

45、體的含水量越小，面積越小，動(dòng)作距離也越物體的含水量越小，面積越小，動(dòng)作距離也越小，靈敏度就越低小，靈敏度就越低。大多數(shù)電容接近開(kāi)關(guān)的大多數(shù)電容接近開(kāi)關(guān)的尾部有一個(gè)多圈微調(diào)電位器尾部有一個(gè)多圈微調(diào)電位器RP，用于調(diào)整特定對(duì)象的動(dòng)作距離，用于調(diào)整特定對(duì)象的動(dòng)作距離。 電容式接近開(kāi)關(guān)外形電容式接近開(kāi)關(guān)外形齊平式齊平式非齊平式非齊平式非齊平式非齊平式接近開(kāi)關(guān)的安裝接近開(kāi)關(guān)的安裝 非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易損壞。支架，易損壞。全密封防水式全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）遠(yuǎn)距離式（大量程）電容接近開(kāi)關(guān)的規(guī)格電容接近開(kāi)關(guān)的規(guī)格電容式接近開(kāi)關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用電容式

46、接近開(kāi)關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān)在在液位物位測(cè)量液位物位測(cè)量控制中的使用控制中的使用對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的光柱顯示光柱顯示 電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示使用演示不同材料的非金屬檢測(cè)物對(duì)電容式接不同材料的非金屬檢測(cè)物對(duì)電容式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的影響近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的影響第四節(jié)第四節(jié) 壓力和流量的測(cè)量壓力和流量的測(cè)量 一、壓力的基本概念一、壓力的基本概念 壓力的國(guó)際單位為壓力的國(guó)際單位為“帕斯卡帕斯卡”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱“帕帕”（Pa），用），用p表示。它等于表示。它等于垂直作

47、用于一定面積垂直作用于一定面積A上的力上的力F（稱為壓向力）除以面積（稱為壓向力）除以面積A，即，即 p=F/A。 除此之外，工程界長(zhǎng)期使用許多不同的壓力除此之外，工程界長(zhǎng)期使用許多不同的壓力計(jì)量單位。如計(jì)量單位。如“工程大氣壓工程大氣壓”、“標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓”、“毫米汞柱毫米汞柱”，氣象學(xué)中還用，氣象學(xué)中還用“巴巴”（bar）和）和“托托”為壓力單位。這些單位在一些進(jìn)口儀表說(shuō)為壓力單位。這些單位在一些進(jìn)口儀表說(shuō)明書上可能還會(huì)見(jiàn)到。明書上可能還會(huì)見(jiàn)到。 回目錄回目錄壓力單位轉(zhuǎn)換對(duì)照表壓力單位轉(zhuǎn)換對(duì)照表 壓力傳感器的分類壓力傳感器的分類（1）絕對(duì)壓力傳感器絕對(duì)壓力傳感器 它所測(cè)得的它所測(cè)得的

48、壓力數(shù)值是相對(duì)壓力數(shù)值是相對(duì)于密封在絕對(duì)壓力傳感器內(nèi)部的基準(zhǔn)真空（相當(dāng)于零于密封在絕對(duì)壓力傳感器內(nèi)部的基準(zhǔn)真空（相當(dāng)于零壓力參考點(diǎn)）而言的，是以真空為起點(diǎn)的壓力壓力參考點(diǎn)）而言的，是以真空為起點(diǎn)的壓力。平常。平常所說(shuō)的環(huán)境大氣壓為某某千帕就是指絕對(duì)壓力。所說(shuō)的環(huán)境大氣壓為某某千帕就是指絕對(duì)壓力。當(dāng)絕當(dāng)絕對(duì)壓力小于對(duì)壓力小于101kPa時(shí)，可以認(rèn)為是時(shí)，可以認(rèn)為是“負(fù)壓負(fù)壓”，所測(cè)得，所測(cè)得壓力相當(dāng)于真空度壓力相當(dāng)于真空度。（2）差壓傳感器差壓傳感器 差壓是指兩個(gè)壓力差壓是指兩個(gè)壓力p1和和p2之差之差，又，又稱為稱為壓力差壓力差。當(dāng)差壓表兩側(cè)面均向大氣敞開(kāi)時(shí)，差壓當(dāng)差壓表兩側(cè)面均向大氣敞開(kāi)時(shí)，

49、差壓等于零等于零。例：例：p1=0.81.1MPa，p2=0.91.0MPa，必須選擇測(cè)，必須選擇測(cè)量范圍為量范圍為- -0.10.2MPa的差壓傳感器。的差壓傳感器。壓力傳感器的分類（續(xù)）壓力傳感器的分類（續(xù)） （3）壓力傳感器壓力傳感器 壓力傳感器顯示的壓力為壓力傳感器顯示的壓力為“表表壓壓”。表壓測(cè)量是差壓測(cè)量的特殊情況。測(cè)量時(shí)，。表壓測(cè)量是差壓測(cè)量的特殊情況。測(cè)量時(shí)，以以環(huán)境大氣壓為參考基準(zhǔn)環(huán)境大氣壓為參考基準(zhǔn)，將差壓傳感器的一側(cè)向大氣，將差壓傳感器的一側(cè)向大氣敞開(kāi)，就轉(zhuǎn)變成表壓傳感器。敞開(kāi)，就轉(zhuǎn)變成表壓傳感器。表壓傳感器的輸出為零表壓傳感器的輸出為零時(shí)，其膜片兩側(cè)實(shí)際上均存在一個(gè)大氣

50、壓的絕對(duì)壓力時(shí)，其膜片兩側(cè)實(shí)際上均存在一個(gè)大氣壓的絕對(duì)壓力。二、電容式差壓變送器二、電容式差壓變送器 高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)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(jìn)氣口高壓側(cè)進(jìn)氣口 2 2低壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口 3 3過(guò)濾片過(guò)濾片 4 4空腔空腔5 5柔性不銹鋼波紋隔離柔性不銹鋼波紋隔離膜片膜片 6 6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)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（定極鍍金凹形電極（定極板）板） 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010腔腔1111鋁合金外殼鋁合金外殼 1212

51、限位波紋盤限位波紋盤 1313過(guò)壓保護(hù)懸浮波紋過(guò)壓保護(hù)懸浮波紋膜片膜片 1414公共參考端（地電公共參考端（地電位）位）各種電容式差各種電容式差壓變送器外形壓變送器外形 P1P2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)） 法蘭法蘭各種電容式壓力、差壓變送器外形各種電容式壓力、差壓變送器外形 p1p2三、利用電容差壓變送器三、利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位測(cè)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)的壓力施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比與液位成正比p = g h2022-1-283利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位 1儲(chǔ)液罐儲(chǔ)液罐

52、2液面液面 3上部空間上部空間 4高壓側(cè)管道高壓側(cè)管道 5電容差壓電容差壓 變送器變送器 6低壓側(cè)管道低壓側(cè)管道p1 = p0 + g h1p= p1-p2= g(h-h0)p電容差壓變送器用于測(cè)量電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位測(cè)量液體的液位測(cè)量 投入式水位傳感器投入式水位傳感器流量的基本概念流量的基本概念流量（流量（Flow）是指）是指流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)，分別稱為，分別稱為體積流量體積流量qV和和質(zhì)量流量質(zhì)量流量qm。這種。這種單位時(shí)間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時(shí)流量單位時(shí)間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時(shí)流量q。把瞬把瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間時(shí)流量對(duì)時(shí)

53、間t進(jìn)行積分，求出累計(jì)體積或累計(jì)質(zhì)量的進(jìn)行積分，求出累計(jì)體積或累計(jì)質(zhì)量的總和，稱為累積流量，也叫總量總和，稱為累積流量，也叫總量。0( ) dtqqtt總?cè)绻髁渴制椒€(wěn)如果流量十分平穩(wěn),則可將短暫時(shí)段則可將短暫時(shí)段ti與該時(shí)段與該時(shí)段的的瞬時(shí)流量瞬時(shí)流量qi的平均值相乘的平均值相乘,并并對(duì)乘積進(jìn)行累加對(duì)乘積進(jìn)行累加,從而得到從而得到累積流量累積流量：1( ) ni iiqq t總流量的單位及計(jì)算流量的單位及計(jì)算 體積流量體積流量qV=Av，單位為，單位為m3/h或或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(shè)測(cè)得平均流速例：設(shè)測(cè)得平均流速v =2m/s

54、 ，圓管道的直徑圓管道的直徑D =1m，則截面積，則截面積A=D2/4=0.79m2 ，如果，如果不考慮層流、紊流效應(yīng)不考慮層流、紊流效應(yīng)，認(rèn)為流體在整個(gè)管道中的分布是均勻的，則平認(rèn)為流體在整個(gè)管道中的分布是均勻的，則平均流量均流量qV V= 3.95m3 /s 。圓管內(nèi)的流速圓管內(nèi)的流速不均勻分布不均勻分布D流量的測(cè)量方法分類流量的測(cè)量方法分類測(cè)量流量的方法很多，有測(cè)量流量的方法很多，有流速法流速法、容積法、容積法、質(zhì)量法、水槽法等。流速法中，又有質(zhì)量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、葉輪式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲

55、式、電磁式、差壓節(jié)流式多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。等。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造的按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量系數(shù)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)。量使用差壓式流量計(jì)。 葉輪式氣體流速計(jì)葉輪式氣體流速計(jì)氣體流量計(jì)氣體流量計(jì)常規(guī)小氣象站使用三葉風(fēng)杯測(cè)量風(fēng)速常規(guī)小氣象站使用三葉風(fēng)杯測(cè)量風(fēng)速葉輪式手持風(fēng)速儀葉輪式手持風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)向測(cè)量風(fēng)向的風(fēng)標(biāo)的風(fēng)標(biāo) 測(cè)量風(fēng)速的測(cè)量風(fēng)速的三葉風(fēng)杯三葉風(fēng)杯玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)流體入口流體入口流體出口流體出口浮子浮子主要測(cè)量元件為主要測(cè)量元件為一根垂直安裝的一根