情境三 设计地面沉降系统综述

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1、情境三 设计地面沉降系统 Date1 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。 任务一 电容传感器 *2 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。 *3 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

2、的基本理想公式为 Date4 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 Date5 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

3、移式的结构。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。Date6 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。 Date7 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。 Date8 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5-4b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线？当初始安装 距离d

4、0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？ Date9 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。 Date10 差动式电容传感器 想一想：在第四章里，给大家介绍过差动电感的特 性及优点？ 回 顾 一 下 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 。 Date11 三、变介电常数式 因为各种介质的相对介电

5、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 Date12 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 的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容 量变大？可用于测量什么非电量？ Date13 Date14 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。 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？ Date15 调频

6、（FM）电路 TTL电平的高电平和低电平 电压范围分别是多少伏？ Date16 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。 Date17 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 Date18 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

7、 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。 Date19 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 Date20 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 Date21 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2.75.2

8、5V，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。 Date22 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% Date23 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） Date24 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

9、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 Date25 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 。 Date26 汽车气囊对驾驶员的保护作用 Date27 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 Date28 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。 Dat

10、e29 湿敏电容外形 吸水高分子薄膜 Date30 湿敏电容模块及传感器外形 Date31 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 Date32 多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 Date33 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。 Date34 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

11、 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？ Date35 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 Date36 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。 在第三章里，曾介绍过“电感式接近开关”， 它能判断金属物体靠近与否。 回 顾 一 下 Date37 电容式接近开关外形 齐平式非齐平式 Date38 非齐平式接近开关的

12、安装 非齐平式安装时，传感器端部高 于安装支架，易损坏。 Date39 全密封防水式 远距离式（大量程） Date40 电容接近开关的规格 Date41 电容式接近开关在液位测量控制中的使用 Date42 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 Date43 电容式接近开关在物位测量控制中的使用 Date44 电容式接近开关在物位测量控制中的 使用演示 Date45 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 Date46 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

13、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。 Date47 压力单位转换对照表 Date48 二、电容式差压变送器 高压侧 进气口 低压侧 进气口 电子 线路 位置 内部不锈钢膜片的位置 Date49 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 Date50 各种电容式差 压变送器外形 Date51 各种电容式压力变送器外形（续） （参考丹东长 隆 自

14、控有限公 司 资料） 法兰 Date52 各种电容式压力变送器外形（续） Date53 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 Date54 电容差压变送器用于测量 液体的液位 投入式水位计 Date55 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 。 流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体 积数或质量数，分别称为体积流量qV和质量流量

15、qm 。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量q。把瞬 时流量对时间t进行累计，求出累计体积或累计质 量的总和，称为累积流量，也叫总量。 Date56 五、流量的测量方法 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。 Date57 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） Date58 玻璃转子 流量计 流

16、体入口 流体出口 转子 Date59 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。 Date60 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 。 Date61 节流装置外形 节流孔板 后取压管 Date62 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 Date63 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