傳感器原理與應(yīng)用--電容傳感器

1、傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用電子科技大學(xué)中山學(xué)院 2013本課程的性質(zhì)與要求本課程的性質(zhì)與要求第一節(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電容傳感器以各種類型的電容器作為傳感器元件，電容傳感器以各種類型的電容器作為傳感器元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電將被測物理量轉(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、電流或頻率。路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。電容傳感器具有如下優(yōu)點：電容傳感器具有如下優(yōu)點：（1 1）可獲得）可獲得100%100%以上的相對變化量以上的相對變化量 。（2 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 3）所需的激勵源功

2、率小，本身發(fā)熱問題可不考慮。）所需的激勵源功率小，本身發(fā)熱問題可不考慮。（4 4）動態(tài)響應(yīng)比電感傳感器快。）動態(tài)響應(yīng)比電感傳感器快。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電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容為當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，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)的相對介電常數(shù)；兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

3、 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)理想電容器的電場線是直線理想電容器的電場線是直線,而實際電容器只有中間區(qū)域是而實際電容器只有中間區(qū)域是直線直線,越往外電場線彎曲的越厲害。到電容邊緣時電場線彎曲最越往外電場線彎曲的越厲害。到電容邊緣時電場線彎曲最厲害，這種電場線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。在基板面積較小時，厲害，這種電場線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。在基板面積較小時，將引起測量誤差。將引起測量誤差。 +-三種類型的電容傳感器三種類型的電容傳感器在A、d、三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容C 改變。也就是說，電容C 是A、

4、d、的函數(shù)，這就是電容傳感器的基本工作原理。固定三個參量中的兩個，可以制作成以下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動極板動極板 3外圓筒外圓筒 4內(nèi)圓筒內(nèi)圓筒 5導(dǎo)軌導(dǎo)軌 6測桿測桿 7被測物被測物 8水平基準(zhǔn)水平基準(zhǔn)變面積式電容傳感器簡析變面積式電容傳感器簡析圖圖a a是是，其中極板，其中極板1 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 2固定不動，稱為定極板。圖固定不動，稱為定極

5、板。圖b b是是形形變面積式傳感器。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。線運動。平行板形變面積式電容傳感器的容量變化平行板形變面積式電容傳感器的容量變化設(shè)兩極板原來的遮蓋長度為a0，極板寬度為b，極距固定為d0，當(dāng)動極板隨被測物體向左移動x后，兩極板的遮蓋面積A將減小，電容也隨之減小，電容Cx 為式中 C0初始電容值在變面積電容傳感器中，電容Cx與直線位移x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-動極板 2-定極板極板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

6、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 SC 0 00 11 SCCCC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，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。設(shè)內(nèi)圓設(shè)內(nèi)圓筒的筒的外半徑外半徑、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，兩者原來的遮蓋長，兩者原來的遮蓋長度為度為h0，電容量與位移成正比：，電容量與位移成正比：00021 ln/xhxxCCR rhCxA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性總結(jié)變面積式電容傳感器的輸出特性在一小段范圍內(nèi)是線性的，變面積式電容傳感器的輸出特性在一

7、小段范圍內(nèi)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、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。尺寸等參量。CAA1-實際特性實際特性 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)動極板受被測物體作用引起位移時，改變了當(dāng)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兩極板之間的距離d d，從而使電容量發(fā)生變化。，從而使電容量發(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盡量小些，盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。的行程較小的

8、缺點。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(yīng)使d0小一些為好，但行程變?。▌屿o極板接觸）。 a）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動極板 3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d0，當(dāng)動極板向上位移時，極板間距減小了x值后，其電容變大。設(shè)，則有電容Cx與位移x不是線性關(guān)系，其靈敏度Kx不為常數(shù)：20dd()xxCAKxdx 0001 xAxCCdxdx差動式電容傳感器差動式電容傳感器 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

9、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(jìn)一步用計算機(jī)來計算修正 。差動式電容傳感器特性曲線差動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-差動特性差動特性線性好，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)變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器 當(dāng)某種被測介質(zhì)處于兩極板間時，介質(zhì)

10、的厚度當(dāng)某種被測介質(zhì)處于兩極板間時，介質(zhì)的厚度越大，電容越大，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和被測介質(zhì)所引起的電和被測介質(zhì)所引起的電容容C2的串聯(lián)的串聯(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被測介質(zhì)引起的等效電容；被測介質(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 絕緣薄膜張力及厚度測量系統(tǒng)絕緣薄膜張力及厚度測量系統(tǒng)磁粉 制動器勵磁信號電動機(jī)張力信號張力傳感器張力傳感器信號處理器厚度信號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

11、用途 不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響很大。當(dāng)介質(zhì)厚度不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響很大。當(dāng)介質(zhì)厚度保保持不變、而相對介電常數(shù)持不變、而相對介電常數(shù)r改變時，該電容器可作為相對介電改變時，該電容器可作為相對介電常數(shù)常數(shù)r的測試儀器。又如，當(dāng)空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣的測試儀器。又如，當(dāng)空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣（r水水=80）時，電容將發(fā)生較大的變化。因此該電容器又可作）時，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濕度傳感器。反之，若為空氣相對濕度傳感器。反之，若r不變，則可作為檢測介質(zhì)不變，則可作為檢測介質(zhì)厚度的傳感器。厚度的傳感器。電容式液位計電容式液位計( (可以理解為變面積

12、或變介電原理可以理解為變面積或變介電原理) )a)同軸內(nèi)外金屬管式 b)金屬管外套聚四氟乙烯套管式 c)帶底座的電容液位傳感器的結(jié)構(gòu)1內(nèi)圓筒 2外圓筒 3被測絕緣液體 4被測導(dǎo)電液體5聚四氟乙烯套管 6頂蓋 7絕緣底座 8信號傳輸屏蔽電纜電容電容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)半徑；h：不考慮安裝高度時的液位：不考慮安裝高度時的液位;0：真：真空介電常數(shù)（空氣的介電常數(shù)與之相近）；空介電常數(shù)（空氣的

13、介電常數(shù)與之相近）；r1：被測液體的相對介電常數(shù)；：被測液體的相對介電常數(shù)；1：被測液體的介電常數(shù)；：被測液體的介電常數(shù)；1=r10。101101001122ln/ln/222 1 ln/ln/ln/hrhhhCCCRrRrhhhhRrRrRr 空液（5-11）變面積式電容式液位計（導(dǎo)電液體）變面積式電容式液位計（導(dǎo)電液體）棒狀電極（不銹鋼金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，不銹鋼金屬管的下半部分與導(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。當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(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2倍，所以電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套

14、第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路常見的有變壓器橋式電路、雙常見的有變壓器橋式電路、雙T 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、FMFM調(diào)頻電路等。調(diào)頻電路等。調(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的調(diào)頻電路有何區(qū)別？上式中哪個量是變量？脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制電路電路利用某種方法對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行利用某種方法對半導(dǎo)體開關(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

15、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時的波形時的波形 b）C1C2時的波形時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的高頻激勵電源的高頻激勵電源(約約1MHz)，它提供了幅值對，它提供了幅值對稱的方波。稱的方波。VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管為特性完全相同的兩只二極管,固定電阻固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容，初始值為傳感器的兩個差動電容，初始值C1=C2 。 在在Ui為正半周時，為正半周時，VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通

16、、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流過流過RL。 在隨后的負(fù)半周期間，在隨后的負(fù)半周期間，VD1截止、截止、VD2導(dǎo)通，于是電容導(dǎo)通，于是電容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。有電流放電。有電流i2逆向流過逆向流過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，且方向相反，在一，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過個周期內(nèi)流過RL的平均電流的平均電流IL=0。 若差動電容傳感器的若差動電容傳感器的C1C2，則，則i1i2。在

17、一個周期內(nèi)流過。在一個周期內(nèi)流過RL的的平均電流平均電流IL就不為零，輸出電壓就不為零，輸出電壓Uo在一個周期內(nèi)平均值為在一個周期內(nèi)平均值為當(dāng)當(dāng)為常數(shù)時，有：為常數(shù)時，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的差值成正比。的差值成正比。 oLLL120LLi122L1 ( )( )d(2)()()TUR IRi ti ttTR RRR U f CCRRoi12T()UU f M CCK CLL2L(2)()R RRRMRR二極管雙二極管雙T形交流電橋電路特點形交流電橋電路特點電路的靈敏度電路的靈敏度KT與激勵電源電壓幅值與激勵電源電壓幅值Ui以及頻率

18、以及頻率f有關(guān)，故對有關(guān)，故對激勵電源穩(wěn)定型要求較高。選取激勵電源穩(wěn)定型要求較高。選取Ui的幅值高于二極管死區(qū)電壓的幅值高于二極管死區(qū)電壓的的10倍以上，可使二極管倍以上，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?？梢栽??？梢栽赗L之后設(shè)置低通濾波器，能之后設(shè)置低通濾波器，能獲得平穩(wěn)的直流輸出電壓。獲得平穩(wěn)的直流輸出電壓。雙雙T形電橋電路具有以下特點：形電橋電路具有以下特點：電路較為簡單；差動電容傳感器、信號源、負(fù)載電路較為簡單；差動電容傳感器、信號源、負(fù)載有一個有一個公共的接地點，不易受干擾；公共的接地點，不易受干擾；VD

19、1和和VD2工作在伏安特性的線工作在伏安特性的線性段，死區(qū)電壓影響較小；性段，死區(qū)電壓影響較??；輸出信號為幅值較高的直流電壓輸出信號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因素影響，即：電容器的容量受三個因素影響，即：極距極距 x x、相對面積相對面積 A A 和和極間介電常數(shù)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 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

20、化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的。來達(dá)到非電量電測的目的。 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)被測液體的液面上升氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的時，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，而是給出給出開關(guān)量開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時，它輸。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時，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

21、列。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(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，放開按鈕，位達(dá)到設(shè)定值時，放開按鈕，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，當(dāng)水位使用時，當(dāng)水位高于該點后，即可發(fā)出報警信高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。號和控制信號。設(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

22、機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)可以將一塊多晶硅）技術(shù)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。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組度傳感器。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容成差動電容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。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片，左動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片，左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。它的核心部分端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。它的核心部分可以小于可以小于3mm左右，與測量轉(zhuǎn)換電路一起封裝在貼左右，與測量轉(zhuǎn)換電路一起封裝在

23、貼片片IC封裝中。工作電壓為封裝中。工作電壓為2.75V，加速度測量范圍為，加速度測量范圍為幾十個幾十個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。“三明治三明治”擺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加速度測試單元加速度測試單元 2 2信號調(diào)理單元信號調(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）貼片封裝外形 b）“三明治”多晶硅多層結(jié)構(gòu) c）加速度測試單元的工作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)的三個相互垂直

24、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度。 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：8kHz ， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ， 安裝螺紋：M5 mm ， 線性誤差：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)測得的當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，氣囊電控單元據(jù)此判斷，氣囊電控單元據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，就發(fā)生了碰撞，就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹脹，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

25、和頭部。 裝有多種碰裝有多種碰撞參數(shù)測量傳撞參數(shù)測量傳感器的假人感器的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，經(jīng)控制系統(tǒng)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)使氣囊迅速充氣使氣囊迅速充氣 。 如果碰撞傳感器安裝在側(cè)面，則在側(cè)面碰撞時，側(cè)面氣如果碰撞傳感器安裝在側(cè)面，則在側(cè)面碰撞時，側(cè)面氣囊膨脹。囊膨脹。 NoImage汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用測試假人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，通過杠桿的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓

26、盤帶動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。電容式油量表電容式油量表當(dāng)油箱中無油時，電容傳感器的電容當(dāng)油箱中無油時，電容傳感器的電容Cx 0為最小值。此時應(yīng)使為最小值。此時應(yīng)使電橋輸出為零。油量表調(diào)零過程如下：首先斷開減速箱與電橋輸出為零。油量表調(diào)零過程如下：首先斷開減速箱與RP的的機(jī)械連接，將機(jī)械連接，將RP人為地調(diào)到零，即：電位器人為地調(diào)到零，即：電位器RP的滑動臂位于的滑動臂位于0點。此時點。此時R3=R4。再調(diào)節(jié)半可變電容。再調(diào)節(jié)半可變電容C0，使，使C0=Cx 0，；此時，電，；此時，電橋滿足：橋滿足：Cx04C03XRXRx004x0301212fCC

27、RCRfC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伺服電動機(jī)伺服電動機(jī) 4減速減速箱箱 5油量表油量表2022-6-1146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h處，Cx=Cx0+Cx，Cx與h成正比。此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Ubdo經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電動機(jī)，再由減速箱減速后，帶動指針順時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動RP的滑動臂向c點移動，從而使RP的阻值增大，Rcd =R3+RRP也隨之增大。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時，(Cx0+Cx)/C0=(R3+RRP)/R4，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Ubdo再次等于零，于是伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，

28、指針停留在轉(zhuǎn)角為max處。當(dāng)油位降低時，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動RP的滑動臂移動,使RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到某一數(shù)值時,電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動機(jī)再次停轉(zhuǎn),指針停留在與該液位相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角處。該裝置采用了閉環(huán)零位式測量方法。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)電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 被檢測物體可以是被檢測物體可以是導(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，也可以是不接地的。 調(diào)節(jié)接調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的

29、靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物的性質(zhì)，來改變測物的性質(zhì)，來改變動作距離動作距離。 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 1被測物被測物 2上檢測極板（或內(nèi)圓電極）上檢測極板（或內(nèi)圓電極） 3下檢測極板（或外圓電極）下檢測極板（或外圓電極） 4充填樹脂充填樹脂 5測量轉(zhuǎn)換電路板測量轉(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動作指示燈動作指示燈 9電纜電纜 UR比較器的基準(zhǔn)電壓比較器的基準(zhǔn)電壓電容接近開關(guān)的工作原理電容接近開關(guān)的工作原理電容接近開關(guān)的感應(yīng)板由兩個同心圓金屬平面電極構(gòu)成。電容接近開關(guān)的感應(yīng)板由兩個同心圓金屬平面電極構(gòu)成

30、。當(dāng)沒有被測物體靠近電容接近開關(guān)時，由于當(dāng)沒有被測物體靠近電容接近開關(guān)時，由于C1與與C2很小，很小，RC振蕩器停振。當(dāng)被測物體朝著電容接近開關(guān)的兩個同心圓振蕩器停振。當(dāng)被測物體朝著電容接近開關(guān)的兩個同心圓電極靠近時，兩個電極與被測物體構(gòu)成電容電極靠近時，兩個電極與被測物體構(gòu)成電容C，接到，接到RC振蕩回振蕩回路中，等效電容路中，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。電容接近開關(guān)的工作原理（續(xù)）電容接近開關(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。振蕩器的。振蕩器的高頻輸出電壓高頻輸出電壓uo經(jīng)二極管檢波和低通濾波器，得到正經(jīng)二極管檢波和

31、低通濾波器，得到正半周的平均值半周的平均值。再經(jīng)直流電壓放大電路放大后，。再經(jīng)直流電壓放大電路放大后，Uo1與與靈敏度調(diào)節(jié)電位器靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP設(shè)定的基準(zhǔn)電壓設(shè)定的基準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行比較進(jìn)行比較。若若Uo1超過基準(zhǔn)電壓時超過基準(zhǔn)電壓時,比較器翻轉(zhuǎn)比較器翻轉(zhuǎn),輸出動作信號輸出動作信號(高電高電平或低電平平或低電平),從而起到了檢測有無物體靠近的目的。從而起到了檢測有無物體靠近的目的。電容式接近開關(guān)外形電容式接近開關(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關(guān)的安裝接近開關(guān)的安裝 非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。損壞。全密封防水式遠(yuǎn)距

32、離式（大量程）電容接近開關(guān)的規(guī)格電容接近開關(guān)的規(guī)格電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在液位物位測量電容式接近開關(guān)在液位物位測量控制中的使用控制中的使用對應(yīng)的對應(yīng)的光柱顯示光柱顯示 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示使用演示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(guān)動作距離的影響近開關(guān)動作距離的影響第四節(jié)第四節(jié) 壓力和流量的測量壓力和流量的測量 一、壓力的基本概念一、壓力的基本概念 壓力單位轉(zhuǎn)換對照表壓力單位

33、轉(zhuǎn)換對照表 壓力傳感器的分類壓力傳感器的分類（1）絕對壓力傳感器）絕對壓力傳感器 它所測得的壓力數(shù)值是相對它所測得的壓力數(shù)值是相對于密封在絕對壓力傳感器內(nèi)部的基準(zhǔn)真空（相當(dāng)于零于密封在絕對壓力傳感器內(nèi)部的基準(zhǔn)真空（相當(dāng)于零壓力參考點）而言的，是以真空為起點的壓力。平常壓力參考點）而言的，是以真空為起點的壓力。平常所說的環(huán)境大氣壓為某某千帕就是指絕對壓力。當(dāng)絕所說的環(huán)境大氣壓為某某千帕就是指絕對壓力。當(dāng)絕對壓力小于對壓力小于101kPa時，可以認(rèn)為是時，可以認(rèn)為是“負(fù)壓負(fù)壓”，所測得，所測得壓力相當(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 差壓是指兩個壓力差壓是指兩個壓力p1和和

34、p2之差，又之差，又稱為壓力差。當(dāng)差壓表兩側(cè)面均向大氣敞開時，差壓稱為壓力差。當(dāng)差壓表兩側(cè)面均向大氣敞開時，差壓等于零。等于零。例：例：p1=0.81.1MPa，p2=0.91.0MPa，必須選擇測，必須選擇測量范圍為量范圍為- -0.10.2MPa的差壓傳感器。的差壓傳感器。 （3）壓力傳感器）壓力傳感器 壓力壓力傳感器顯示的壓力為傳感器顯示的壓力為“表表壓壓”。表壓測量是差壓測量。表壓測量是差壓測量的特殊情況。測量時，以環(huán)的特殊情況。測量時，以環(huán)境大氣壓為參考基準(zhǔn)，將差境大氣壓為參考基準(zhǔn)，將差壓傳感器的一側(cè)向大氣敞開，壓傳感器的一側(cè)向大氣敞開，就轉(zhuǎn)變成表壓傳感器。表壓就轉(zhuǎn)變成表壓傳感器。表

35、壓傳感器的輸出為零時，其膜傳感器的輸出為零時，其膜片兩側(cè)實際上均存在一個大片兩側(cè)實際上均存在一個大氣壓的絕對壓力。氣壓的絕對壓力。壓力傳感器的分類（續(xù)）壓力傳感器的分類（續(xù)）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過濾片過濾片 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

36、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限位波紋盤限位波紋盤 1313過壓保護(hù)懸浮波紋過壓保護(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）各種電容式差壓變送器外形各種電容式差壓變送器外形 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)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

37、 h2022-6-1170利用電容差壓變送器測量液體的液位利用電容差壓變送器測量液體的液位 1儲液罐儲液罐 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量液體的液位測量電容差壓變送器用于測量液體的液位測量 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）是指流體在單位時間內(nèi)通過某一截面）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)量流量和質(zhì)量流量q

38、m。這種單位時間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時流量。這種單位時間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時流量q。把瞬。把瞬時流量對時間時流量對時間t進(jìn)行積分，求出累計體積或累計質(zhì)量的進(jìn)行積分，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?？偤停Q為累積流量，也叫總量。0( )dtqq tt總?cè)绻髁渴制椒€(wěn)如果流量十分平穩(wěn),則可將短暫時段則可將短暫時段ti與該時段的瞬時與該時段的瞬時流量流量qi的平均值相乘的平均值相乘,并對乘積進(jìn)行累加并對乘積進(jìn)行累加,從而得到累積從而得到累積流量：流量：1( ) ni iiqq t總流量的單位及計算流量的單位及計算 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)測得平均流速例：設(shè)測得平均流速v =2m/s ，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，如果果不考慮層流、紊流效應(yīng)不考慮層流、紊流效應(yīng)，認(rèn)為流體在整個管道中的，認(rèn)為