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1、2023/10/2,1,在这一章里，要给大家介绍电容传感器的基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业领域应用较多的压力、液位和流量测量。在测量中，被测物理量通过电容传感器转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压或频率。电容传感器的最大特点是反应快。,第四章 电容传感器,电容传感器原理动画,我们先来做一个实验。打开一只老式收音机后盖，可以看到一只“可变电容器”。增加该电容器“动片”的旋出角度，收音机的谐振频率就逐渐升高，所接收到的电台频率也逐渐升高。结论：这个电容器的电容量与两个半圆的有效投影面积成正比。,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
2、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。,从电工知识可知，电容传感器的电容量C与两极板相互遮盖的有效面积A以及两极板之间的介质相对介电常数r成正比，与两极板间的距离d（常称为极距）成反比。,回 顾 一 下,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。极板2
3、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。,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,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,观察图b所示的变极距式电容传感器特性曲线，变极距式电容传感器的特性是什么曲
4、线？当初始安装距离d0较小时所引起的电容变化量C1，与d0较大时的C2比较，灵敏度哪个高？对行程有何影响？,差动式电容传感器,a）差动变极距式 b）差动变面积式 1动极板 2定极板,差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算机来计算修正。,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思考,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
5、纸时，哪一种情况下的电容量变大？可用于测量什么非电量？,2023/10/2,12,1）在两片间隙为 1mm 的两块平行极板的间隙中插入_，可测得最大的电容量。A.塑料薄膜 B.干的纸 C.湿的纸 D.玻璃薄片,2）电子卡尺的分辨率可达 0.01mm，行程可达 200mm，它的内部所采用的电容传感器型式是_。A.变极距式 B.变面积式 C.变介电常数式,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 产生相应的变化。,调频（FM）电路,TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多
6、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d、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。,聚四氟乙烯外套,2023/10/2,17,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与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。,
7、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,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，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
8、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）,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发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,汽车气囊对驾驶员的保护作用,利用加速度传感器实现 延时
9、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。,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,湿敏电容模块及传感器外形,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,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,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
10、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？,上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？,该油量表可用于飞机油箱,三、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。,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,
11、非齐平式安装时，传感器端部高于安装支架，易损坏。,全密封防水式,远距离式（大量程）,电容接近开关的规格,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,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,电容式接近开关在物位测量控制中的使用,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,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,2023/10/2,46,3）在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中_。A.电容和电感均为变量 B.电容是变量，电感保持不变C.电容保持常数，电感为变量 D.电容和电感均保持不变4）利用湿敏电容可以测量_。A.空气的绝对湿度 B.空气的相对湿度C.空气的
12、温度 D.纸张的含水量5）电容式接近开关对_的灵敏度最高。A.玻璃 B.塑料 C.纸 D.鸡饲料,1储液罐 2液面 3玻璃连通器 4钢质直角接头 5不锈钢圆环 6101段LED 光柱,利用分段电容传感器测量液位的光柱显示编码式液位计原理示意图如图所示。玻璃连通器3的外圆壁上等间隔地套着n个不锈钢圆环，显示器采用101线LED光柱（第一线常亮，作为电源指示）,2023/10/2,48,1）该方法采用了电容传感器中变极距、变面积、变介电常数三种原理中的哪一种？,2）被测液体应该是导电液体还是绝缘体？,3）分别写出该液位计的分辨率（%）及分辨力（几分之一米）的计算公式，并说明如何提高此类液位计的分辨率。,4）设当液体上升到第个N不锈钢圆环的高度时，101线LED光柱全亮。若N=32，则当液体上升到第八个不锈钢圆环的高度时，共有多少线LED亮？,2023/10/2,49,作业提示,1）该方法属于变面积式。2）被测液体必须是导电液体。3）该液位计的分辨率=1/32=3.125%；分辨力=8m/32=0.25m。4）则当液体上升到第8个不锈钢圆环的高度时，共有25+1=26线LED（包括电源指示灯）被点亮。,休息一下,
