項(xiàng)目42 電容傳感器

項(xiàng)目四

電容式傳感器任務(wù)一電容傳感器任務(wù)二電容傳感器的測量電路任務(wù)三電容傳感器的應(yīng)用項(xiàng)目四電容式傳感器任務(wù)四流量傳感器任務(wù)二電容傳感器的測量電路任務(wù)描述電容傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后，必須采用測量轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。電容傳感器轉(zhuǎn)換電路種類很多，主要講解調(diào)頻電路、放大器運(yùn)算電路、二極管交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路四種比較常用的測量轉(zhuǎn)換電路，通過實(shí)際案例了解調(diào)幅式測量轉(zhuǎn)換電路。

3.2.1電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗上一頁返回下一頁rC0CPRgL低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻Re≈Rg

上一頁返回下一頁CeRg高頻等效電路電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中Ce=C0+Cp，而re≈r

上一頁返回下一頁reCeL(1)調(diào)頻電路上一頁返回下一頁4.2.1調(diào)頻電路圖4-6調(diào)頻電路框圖調(diào)頻測量電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，由于振蕩器的頻率受電容式傳感器電容的調(diào)制，這樣就實(shí)現(xiàn)了C/f的變換，故稱為調(diào)頻電路。調(diào)頻振蕩器的頻率可由下式?jīng)Q定：式中L0——振蕩回路的固定電路；C—振蕩回路的電容。C包括傳感器電容Cx、振蕩回路中的微調(diào)電容C0和傳感器電纜分布電容Cc，即C=Cx+C0+Cc當(dāng)被測信號為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測信號不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)上一頁返回下一頁4.2.2

運(yùn)算放大器電路圖4-7運(yùn)算放大器式電路原理圖由運(yùn)算放大器反饋原理可知，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出阻抗Zi→∞且增益A→∞時(shí)，其輸入電路I=0，因此，輸出電壓UO與電容傳感器的極距成正比，這就從原理上解決了使用變極距型電容傳感器輸出特性的非線性問題，這是本電路的最大特點(diǎn)。輸出電壓UO還與電源電壓U和固定電容C有關(guān)，因此，該電路要求電源電壓必須采取穩(wěn)壓措施，固定電容必須穩(wěn)定。運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性

Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號Ui交流電源電壓上一頁返回下一頁運(yùn)算放大器式電路原理圖由運(yùn)算放大器（虛地）工作原理可知結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性

假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=

因此仍然存在一定的非線性誤差， 但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

上一頁返回下一頁4.2.3

二極管交流電橋圖4-8二極管交流電橋原理圖圖中Ui是頻率為f的高頻激勵(lì)電源(約1MHz)，它提供了幅值對稱的方波。VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管,固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，初始值C1=C2。輸出電壓U0不僅與電源Ui的頻率和幅值有關(guān)，而且與電路中兩個(gè)差動(dòng)電容的差值有關(guān)。如果設(shè)置兩個(gè)差動(dòng)電容中一個(gè)電容量固定不變，就能根據(jù)輸出電壓U0的變化值計(jì)算出另一個(gè)電容的變化量，從而推算出被測量的變化。故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為上一頁返回下一頁電路的特點(diǎn):①線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。上一頁返回下一頁4.2.4

脈沖寬度調(diào)制電路圖4-8二極管交流電橋原理圖脈寬調(diào)制電路用于測量差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容傳感器的輸出電容。電路由比較器A1，A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器FF及電容充放電回路組成。UF為參考電壓，R1，R2為充電電阻，一般取R1=R2，C1和C2為傳感器的差動(dòng)電容，F(xiàn)F的兩個(gè)輸出端A,B作為該測量電路的輸出UAB

脈寬調(diào)制型測量電路的主要優(yōu)點(diǎn)是具有線性輸出特性。

案例分析電容接近開關(guān)的核心是以電容極板作為檢測端的電容傳感器，結(jié)構(gòu)如圖4-11a所示。圖4-11圓柱形電容接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)及原理圖a)結(jié)構(gòu)示意圖b)調(diào)幅式測量轉(zhuǎn)換電路原理圖1－被測物2－上檢測極板3－下檢測極板4－充填樹脂5－測量轉(zhuǎn)換電路板6－塑料外殼7－靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP8－動(dòng)作指示燈9－電纜UR－比較器的基準(zhǔn)電壓當(dāng)C增大到設(shè)定數(shù)值后，RC振蕩器起振。振蕩器的高頻輸出電壓Uo經(jīng)二極管檢波和低通濾波器，得到正半周的平均值。再經(jīng)直流電壓放大電路放大后，Uo1與靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP設(shè)定的基準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行比較。若Uo1超過基準(zhǔn)電壓時(shí),比較器翻轉(zhuǎn),輸出動(dòng)作信號(高電平或低電平)，從而起到了檢測有無物體靠近的目的。

任務(wù)描述任務(wù)三電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的用途很多，從位移、液位、壓力和加速度四個(gè)方面詮釋電容傳感器的應(yīng)用。以電容式油量為例，講解了結(jié)構(gòu)、工作原理及閉環(huán)控制的工作過程，重點(diǎn)講解了變介電常數(shù)式電容傳感器在液位測量中的應(yīng)用。

4.3.1電容式位移傳感器電容式位移傳感器特點(diǎn)電容式位移傳感器是根據(jù)被測物體的位移變化轉(zhuǎn)換為電容器電容變化的一種傳感器。其突出優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單；能實(shí)現(xiàn)非接觸測量；靈敏度高、分辨力強(qiáng)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；能在惡劣條件（高、低溫，各種形式的輻射等）下工作。

存在的缺點(diǎn)主要是:輸出的非線性和對絕緣電阻要求較高。

4.3.1電容式位移傳感器圖4-12電容式位移傳感器應(yīng)用實(shí)例示意圖a)測振幅b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺電容式位移傳感器應(yīng)用

4.3.2

電容式液位傳感器圖4-13電容液位計(jì)原理圖

a）同軸內(nèi)外金屬管式b）金屬管外套聚四氟乙烯套管式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—頂蓋電容式位液位感器工作原理

4.3.2

電容式液位傳感器電容式位液位感器特點(diǎn)透過非金屬容器壁非接觸式測量介質(zhì)，無需在容器上開孔?？梢岳壥桨惭b，易于拆卸，亦可固定安裝，分體式安裝，結(jié)構(gòu)小巧緊湊。.基于電容原理當(dāng)液體上升或下降至傳感器的感應(yīng)面時(shí)傳感器的內(nèi)部電容增大，導(dǎo)致內(nèi)部振蕩電路開始振蕩，從而可判斷出液體的有無。

4.3.2

電容式液位傳感器電容式位液位感器應(yīng)用棒狀電極（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時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。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。

4.3.3

電容式壓力傳感器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)警信號和控制信號。設(shè)定按鈕超限指示燈正常工作指示燈電源指示燈

4.3.3

電容式壓力傳感器圖4-14差動(dòng)電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖a）結(jié)構(gòu)b）外觀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－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－δ腔11－鋁合金外殼12－限位波紋盤13－懸浮波紋膜片14－公共參考端15－螺紋壓力接頭16－測量轉(zhuǎn)換電路及顯示器盒17－信號電纜

4.3.3

電容式壓力傳感器

4.3.4

電容式加速度傳感器圖4-15硅微電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖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）

在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)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ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。

4.3.4

電容式加速度傳感器如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動(dòng)或加速度。

4.3.4

電容式加速度傳感器

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(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，對駕乘人員起到保護(hù)作用。

案例分析圖4-16電容式油量表示意圖1－油箱2－圓柱形電容器3－伺服電動(dòng)機(jī)

4－減速箱5－油量表當(dāng)油箱中無油時(shí)，電容傳感器的電容Cx0為最小值。此時(shí)應(yīng)使電橋輸出Ubd為零。當(dāng)油箱中注入油，此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Ubd經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，再由減速箱減速后，帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂向c點(diǎn)移動(dòng)，從而使RP的阻值增大，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)。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)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng),使RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到某一數(shù)值時(shí),電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，UO=0，于是伺服電動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn),指針停留在與該液位相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。該裝置采用了閉環(huán)零位式測量方法。

任務(wù)描述任務(wù)四流量傳感器流量可分為體積流量和質(zhì)量流量，也可分為瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。流量的檢測的方法有三種，分別為速度式、容積式和流量式。重點(diǎn)介紹了應(yīng)用最為廣泛的是差壓式的各種流量計(jì)及各種節(jié)流裝置。通過孔板式差壓流量計(jì)，說明孔板節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)及節(jié)流流量計(jì)的工作原理。

4.4.1流體流量基本概念流量的定義流體在單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的數(shù)量稱為流量。用流體的體積數(shù)來表示的流量稱為體積流量qV。體積流量

qV=AV，單位為m3/h或L/s；用流體的質(zhì)量數(shù)來表示的流量稱為質(zhì)量流量qm。質(zhì)量流量qm=ρAV，單位為t/h或kg/s。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系是：qV=qm/ρ單位時(shí)間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時(shí)流量q，把瞬時(shí)流量對時(shí)間t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q總

4.4.1流體流量基本概念流量的檢測方法流量檢測方法可以分為三大類，速度式、容積式、質(zhì)量式。速度式流量計(jì)最多品種最多，但是以平均流速為測量依據(jù)，因此測量結(jié)果受介質(zhì)流動(dòng)條件（如雷諾數(shù)、渦流、截面上的流速分布等）、介質(zhì)物理性質(zhì)（液體、氣體）、介質(zhì)外部條件（溫度、壓力等）等諸多影響，這給精確測量帶來困難。質(zhì)量流量計(jì)以測量與物質(zhì)質(zhì)量有關(guān)的物理效應(yīng)為基礎(chǔ)，分為直接式和推導(dǎo)式兩種。容積式流量計(jì)的工作原理比較簡單，特點(diǎn)是流體狀態(tài)對測量結(jié)果影響較小，精確度較高。但不適用于高溫、高壓和臟污介質(zhì)的流量測量。

4.4.2

差壓式流量計(jì)差壓式流量的組成節(jié)流裝置是安裝于管道中產(chǎn)生差壓，節(jié)流件前后的差壓與流量成開方關(guān)系。引壓導(dǎo)管的作用是取節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的差壓，傳送給差壓變送器。差壓變送器能夠產(chǎn)生的差壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號（4-20mA）。

4.4.2

差壓式流量計(jì)節(jié)流裝置類型圖4-19流體流經(jīng)節(jié)流孔板時(shí)壓力和流速變化情況示意圖圖4-18節(jié)流孔板、噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)壓管的配置

4.4.2

差壓式流量計(jì)導(dǎo)壓管的配置圖4-20導(dǎo)壓管配置圖a）測量液體時(shí)導(dǎo)壓管的標(biāo)準(zhǔn)安裝方式b）測量氣體時(shí)導(dǎo)壓管的標(biāo)準(zhǔn)安裝方式

4.4.2

差壓式流量計(jì)導(dǎo)壓管的配置

案例分析

流體經(jīng)過節(jié)流孔板時(shí)，流束局部收縮，流速加快，