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1、第五章 电容传感器,本章学习电容传感器的原理及应用，还涉及压力、液位及流量的测量方法。,第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式,上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,电容传感器的基本理想公式为,第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式,改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。,一、变面积式电容传感器,图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c是一个角位移式的结构
2、。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A 就减小，因而电容量也随之减小。,变面积式电容传感器的特性,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！,二、变极距式电容传感器,当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。,实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。,变极距式电容传感器的特性曲线,从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d
3、0较小时，它的测量范围变大还是变小？,a）结构示意图 b）电容量与极板距离的关系1定极板 2动极板,2023/9/21,8,三、变介电常数式,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。,几种介质的相对介电常数,变介电常数式电容传感器的用途,根据上表，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量变大？可用于测量什么非电量？,第二节 电容式传感器的测量转换电路（调频电路）,调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生变化，就使振荡器的频率 f 产生
4、相应的变化。,电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？式中哪些量是变量？,调频（FM）电路,TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？,第三节 电容式传感器的应用,电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A 和极间介电常数。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,一、电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。图56b,聚四氟乙烯外套,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与
5、液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,2023/9/21,16,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源 指示灯,二、硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g
6、，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。,微加工三轴加速度传感器,技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5 mm，线性误差：1%,硅微加工加速度传感器原理,1加速度测试单元 2信号处理电路 3衬底 4底层多晶硅（下电极）5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）,利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构，制造出三层多晶硅极板，组成差动电容C1、C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，
7、所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达50g 以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。,加速度传感器在汽车中的应用,当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车
8、发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,2023/9/21,23,汽车气囊对驾驶员的保护作用,2023/9/21,24,利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,三、湿敏电容,利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。,2023/9/21,26,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,2023/9/21,27,湿敏电容模块及传感器外形,2023/9/21,28,湿敏电容传感器的安装使用,在野外的使用,带报警器的家庭使用型,2
9、023/9/21,29,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,2023/9/21,30,四、电容式油量表,机械式油量表：,在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。,电容式油量表,当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x 处）。,该油量表属于开环系统还是闭环系统？,2023/9/21,32,上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用
10、吗？为什么？,该油量表可用于飞机油箱,五、电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,2023/9/21,34,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,非齐平式接近开关的安装,非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。,全密封防水式,远距离式（大量程）,2023/9/21,37,电容接近开关的规格,2023/9/21,38,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,2023/9/21,39,电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用,对应的光柱显示
11、,2023/9/21,40,电容式接近开关在物位测量控制中的使用,2023/9/21,41,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,2023/9/21,42,不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响,第四节 压力和流量的测量,一、压力的基本概念,压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”（Pa）。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”（bar）和“托”为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。,2023/9/21,44,压力单位转换对照表,二、电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线
12、路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器内部结构,1高压侧进气口 2低压侧进气口 3过滤片 4空腔 5柔性不锈钢波 纹隔离膜片 6导压硅油 7 凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极 9弹性平膜片 10 腔,2023/9/21,47,各种电容式差压变送器外形,2023/9/21,48,各种电容式压力变送器外形（续）,（参考丹东长隆 自控有限公司 资料）,法兰,2023/9/21,49,各种电容式压力变送器外形（续）,2023/9/21,50,三、利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p=g h,2023/9/21,51,电容差压变送器用于测量液体的液
13、位,投入式水位计,四、流量的基本概念,体积流量qV=Av，单位为m3/h或L/s；质量流量qm=Av，单位为t/h或kg/s。,例：设测得流速v=10m/s，圆管道的直径r=1m，则截面积A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。,五、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用,测量流量的方法很多，有流速法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照国家标准制造的标准节流装置的流量系数计算公式是相当完备的，所以它是一种可靠性和标准化较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。,2023/9
14、/21,54,叶轮式风流速、流量计（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）,2023/9/21,55,玻璃转子流量计,流体入口,流体出口,转子,差压节流式流量计,所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，使流体经过该节流装置时，流束局部收缩，流速提高，压强减小。节流式流量计的缺点是流体通过节流装置后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度t、压力p1变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温度、压力修正。,节流装置（取压管及内部的节流孔板）,节流孔板,后取压管,前取压管,流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。,2023/9/21,58,节流
15、装置外形,节流孔板,后取压管,2023/9/21,59,流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况,节流孔板,流速变快，压力变小,2023/9/21,60,节流装置的另一种形式文丘里管或文丘里喷嘴,文丘里喷嘴的压力损失较小。,流体入口,狭窄部位,文丘里喷嘴原理示意图,文丘里喷嘴结构图,文丘里喷嘴在管道中的位置,前取压口,后取压口,导压管的配置,从取压孔到差压变送器的导压管的配置应按照规定的标准安装。如果被测流体是气体，导压管应从节流装置的上方引出，以免混杂在气体中的液滴堵住取压管；如果被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引出，以免混杂在液体中的气体影响取压。,2023/9/21,63,导压管配置图,2023/9/21,64,节流式流量计外形,上海肯特智能有限公司卡门涡街流量计演示,气体或液体管道及涡流发生锥体,另一种新型流速式流量计,2023/9/21,66,休息一下,
