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1、第五章第五章 电容传感器电容传感器 本章学习本章学习电容电容传感器的原理及应用，传感器的原理及应用，还涉及压力、液位及流量的测量方法。还涉及压力、液位及流量的测量方法。7/20/20241传感器5电容传感器课件第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？几种类型的电容传感器？ 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为7/20/20242传感器5电容传感器课件第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式改变改变A A、d d
2、、 三个参量中的任意一个量，均可使三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量平板电容的电容量C C 改变。改变。固定三个参量中的两个，可以做成固定三个参量中的两个，可以做成三种类型三种类型的电的电容传感器。容传感器。 7/20/20243传感器5电容传感器课件一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a是是平板形直线位移式结构平板形直线位移式结构，其中极板，其中极板1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图固定不动，称为定极板。图b b是是同心圆筒形同心圆筒形变面积式传感器变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直。外圆筒不
3、动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图线运动。图c c是一个是一个角位移式的结构角位移式的结构。极板。极板2 2的轴由被测物体带的轴由被测物体带动而旋转一个角位移动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A 就减小，因就减小，因而电容量也随之减小。而电容量也随之减小。7/20/20244传感器5电容传感器课件变面积式电容传感器的特性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变面积式电容传感器的输出特性是线性的线性的，灵敏度是常数。这一类传感器，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。参量。请画出
4、变面积式电容传感器的输出请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！特性曲线！7/20/20245传感器5电容传感器课件二、变极距式电容传感器二、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，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改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量，从而使电容量发生变化。发生变化。 实实际际使使用用时时，总总是是使使初初始始极极距距d0尽尽量量小小些些，以以提提高高灵灵敏敏度度，但但这这也也带带来来了了变变极极距式电容器的距式电容器的行程较小的缺点行程较小的缺点。7/20/20246传感器5电容传感器课件变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感
5、器的特性曲线 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较较小时，它的测量范围变大还是变小？小时，它的测量范围变大还是变小？ a）结构示意图结构示意图b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板2动极板动极板7/20/20247传感器5电容传感器课件三、变介电常数式三、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，电容器的电容量也容器两极板间插入不同介质时
6、，电容器的电容量也就不同。就不同。几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数7/20/20248传感器5电容传感器课件变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 根据上根据上表，分析表，分析不同介质对变介电常数不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间电容器的影响。在电容器两极板间插入干插入干的纸和潮湿的纸的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的时，哪一种情况下的电容电容量变大量变大？可用于测量什么非电量可用于测量什么非电量？7/20/20249传感器5电容传感器课件第二节第二节 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 （调频电路调频电路 ）调频电路将电容式传感器
7、作为调频电路将电容式传感器作为LC LC 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发发生变化，就使振荡器的频率生变化，就使振荡器的频率f 产生相应的变化。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电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？式中何区别？式中哪些量是变量哪些量是变量？7/20/202410传感器5电容传感器课件调频（调频（FM）电路）电路TTL电平的高电平和低电平电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？电压范围分别是多少伏？7/20/202411传感器5电容传感器课件第三节第三节 电容式传感器的应用电
8、容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：电容器的容量受三个因素影响，即：极距极距x、相对面积、相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定。固定其中两个变其中两个变量，电容量量，电容量C 就是另一个变量就是另一个变量的一元函数。只要想办法的一元函数。只要想办法将被测非电量转换将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化成极距或者面积、介电常数的变化，就可以，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的测的目的。 7/20/202412传感器5电容传感器课件一、电容式液位计一、电容式液位计棒状电极（金属管）外棒状电极（金属管）外面包裹
9、聚四氟乙烯套管，当面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间起棒状电极与导电液体之间的电容变大。的电容变大。 图图5 56b6b聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套7/20/202413传感器5电容传感器课件电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。7/20/202414传感器5电
10、容传感器课件液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮7/20/202415传感器5电容传感器课件智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源指示灯指示灯7/20/202
11、416传感器5电容传感器课件二、硅微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作惯性力或重力加速度。其工作电压为电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测，加速度测量范围为数个量范围为数个g g，可输出与加，可输出与加速度成正比的电压也可输出占速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM脉脉冲。冲。7/20/202417传感器5电容传感器课件微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：
12、技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g，量程：量程：10g，频率范围：频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点安装谐振点:8kHz，分辨力：分辨力：0.00004g，重量：重量：200g，安装螺纹：安装螺纹：M5mm，线性误差：线性误差：1% 1% 7/20/202418传感器5电容传感器课件硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅底层多晶硅（下电极）（下电极） 5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅顶层多晶硅（上电极）（上电极）7/20/202419传感器5电容传感器课件
13、利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结层结构，制造出构，制造出三层多晶硅极板三层多晶硅极板，组成差动电容，组成差动电容C C1 1、C C2 2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁相当于悬臂梁。当它感受到当它感受到上下振动时，上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化呈差动变化。与加。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将速度测试单元封装在同一壳体中的信号处
14、理电路将C C 转换成直流输出电压。它的转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内激励源也做在同一壳体内。由于硅的弹性滞后很小，且由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻悬臂梁的质量很轻，所以，所以频频率响应可达率响应可达1kHz1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达50g 50g 以上以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度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。传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。7/20/202420传感器5电容传感器课件加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 当测得的负加速
15、度值超过设定值时，当测得的负加速度值超过设定值时， 微微处理器处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车撞，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。驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊7/20/202421传感器5电容传感器课件汽车气囊的保护作用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时，经控制系统使气囊迅速充气。7/20/202422传感器5电容传感器课件汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气
16、囊对驾驶员的保护作用7/20/202423传感器5电容传感器课件利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置7/20/202424传感器5电容传感器课件三、湿敏电容三、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为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。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大为增加（水的相对介
17、电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 7/20/202425传感器5电容传感器课件湿敏电容湿敏电容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜7/20/202426传感器5电容传感器课件湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形7/20/202427传感器5电容传感器课件湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型7/20/202428传感器5电容传感器课件多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 7/20/202429传感器5电容传感器课件四、电容式油量表四、电容式油量表 机械式油量表：
18、机械式油量表：在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。7/20/202430传感器5电容传感器课件电容式油量表电容式油量表当当油油箱箱中中注注满满油油时时，液液位位上上升升，指指针针停停留留在在转转角角为为 m处处。当当油油箱箱中中的的油油位位降降低低时时，电电容容传传感感器器的的电电容容量量Cx减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡，伺伺服服电电动动机机反反转转，指指针针逆逆时时针针偏偏转转（示示值值减减小小），同同时时带带动动RP的的滑滑动动臂臂移移动动。
19、当当RP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，伺伺服服电电动动机机停停转转，指指针针停停留留在在新新的的位位置置（ x 处）。处）。该油量该油量表属于开环表属于开环系统还是闭系统还是闭环系统？环系统？7/20/202431传感器5电容传感器课件 上页所示的油量表在倾斜状态时可上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？以使用吗？为什么？该油量该油量表可用于表可用于飞机油箱飞机油箱7/20/202432传感器5电容传感器课件五、电容式接近开关五、电容式接近开关 被检测物体可以是被检测物体可以是导电体、介质损耗导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（
20、例如饲料、较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等人体等）；可以是接地的，也可以是不接可以是接地的，也可以是不接地的地的。调节接近开关尾部的调节接近开关尾部的灵敏度调节电灵敏度调节电位器位器，可以根据被测物不同来，可以根据被测物不同来改变动作距改变动作距离离。7/20/202433传感器5电容传感器课件电容式接近开关外形电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式7/20/202434传感器5电容传感器课件非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。装支架，易损坏。7/20/202435传感器5电容传感器课件全密封防
21、水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）7/20/202436传感器5电容传感器课件电容接近开关的规格电容接近开关的规格7/20/202437传感器5电容传感器课件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测量控制中的使用7/20/202438传感器5电容传感器课件电容式接近开关电容式接近开关在在液位物位测量液位物位测量控制中的使用控制中的使用对应的光柱显示7/20/202439传感器5电容传感器课件 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7/20/202440传感器5电容传感器课件电容式接近开关在物位测量控制中的电容式接近开关在物位
22、测量控制中的使用演示使用演示7/20/202441传感器5电容传感器课件不同材料的非金属检测物对电容式接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近开关动作距离的影响7/20/202442传感器5电容传感器课件第四节第四节 压力和流量的测量压力和流量的测量 一、压力的基本概念一、压力的基本概念 压力的国际单位为压力的国际单位为“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”（Pa）。）。除此之外，工程界长期使用许多不同的除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如压力计量单位。如“工程大气压工程大气压”、“标准标准大气压大气压”、“毫米汞柱毫米汞柱”，气象学中还用，气象学中还用“巴巴”（b
23、ar）和）和“托托”为压力单位。这些单为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。7/20/202443传感器5电容传感器课件压力单位转换对照表压力单位转换对照表 7/20/202444传感器5电容传感器课件二、电容式差压变送器二、电容式差压变送器 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子电子线路线路位置位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置7/20/202445传感器5电容传感器课件电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构 1 1高压侧进气口高压侧进气口 2 2低压侧进气口低压侧进气口 3 3过滤片过滤片 4 4空腔
24、空腔 5 5柔性不锈钢波柔性不锈钢波纹隔离膜片纹隔离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8 8镀金凹形电极镀金凹形电极9 9弹性平膜片弹性平膜片 10 10 腔腔7/20/202446传感器5电容传感器课件各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 7/20/202447传感器5电容传感器课件各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） （参考（参考丹东长丹东长隆隆 自控有限公自控有限公司司 资料）资料）法兰法兰7/20/202448传感器5电容传感器课件各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） 7/20/202449传感器5
25、电容传感器课件三、利用电容差压变送器三、利用电容差压变送器测量液体的液位测量液体的液位 差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：的压力与液位成正比： p = g h7/20/202450传感器5电容传感器课件电容差压变送器用于测量电容差压变送器用于测量液体的液位液体的液位 投入式水位计投入式水位计7/20/202451传感器5电容传感器课件四、流量的基本概念四、流量的基本概念 体积流量体积流量qV=Av，单位为，单位为m3/h或或L/s；质量流量质量流量qm= Av，单位为，单位为t/h或或kg/s。 例：设测得流速例：设测得流速v=10m/s，圆管道的，圆
26、管道的直径直径r =1m，则截面积，则截面积A=0.79m2，流，流量量qV V=7.9m3/s。7/20/202452传感器5电容传感器课件五、节流式流量计及电容差压变送器在五、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用流量测量中的应用 测量流量的方法很多，有测量流量的方法很多，有流速法流速法、容积法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照等。按照国家标准制造的国家标准制造的标
27、准节流装置标准节流装置的流量系数计算公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较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。式流量计。 7/20/202453传感器5电容传感器课件叶轮式风叶轮式风流速、流量计流速、流量计（参考北京北方大河仪器仪表（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）有限公司资料）7/20/202454传感器5电容传感器课件玻璃转子玻璃转子流量计流量计流体入口流体入口流体出口流体出口转子转子7/20/202455传感器5电容传感器课件差压节流式流量计差压节流式流量计所谓
28、所谓节流装置，就是在管道中段设置一个节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，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。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，当流体后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度的温度t 、压力、压力p1变化时，流体的密度将随之改变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行变。所以必须进行温度、压力温度、压力修正。修正。 7/20/202456传感器5电容
29、传感器课件节流装置节流装置（取压管及取压管及内部的节流内部的节流孔板）孔板）节流孔板节流孔板后取压管后取压管 前取压管前取压管流体通过节流体通过节流孔板时，流孔板时，流速加快，流速加快，后取压管处后取压管处的压力减小。的压力减小。7/20/202457传感器5电容传感器课件节流装置外形节流装置外形节流孔板节流孔板后取压管后取压管 7/20/202458传感器5电容传感器课件流体流经节流孔板时，流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况压力和流速的变化情况节流孔板节流孔板流速变快，流速变快，压力变小压力变小 7/20/202459传感器5电容传感器课件节流装置的另一种形式节流装置的另一种形式文丘里
30、管文丘里管或文丘里喷嘴或文丘里喷嘴 文丘里喷嘴的文丘里喷嘴的压力损失较小。压力损失较小。流体入口流体入口狭窄部位狭窄部位7/20/202460传感器5电容传感器课件文丘里喷嘴原理示意图文丘里喷嘴原理示意图文丘里喷嘴结构图文丘里喷嘴结构图文丘里喷嘴在文丘里喷嘴在管道中的位置管道中的位置前取压口前取压口 后取压口后取压口 7/20/202461传感器5电容传感器课件导压管的配置导压管的配置从取压孔到差压变送器的导压管的配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。如果置应按照规定的标准安装。如果被测流体被测流体是气体，导压管应从节流装置的上方引出是气体，导压管应从节流装置的上方引出，以
31、免混杂在气体中的液滴堵住取压管；如以免混杂在气体中的液滴堵住取压管；如果果被测流体是液体，导压管应从节流装置被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引出的下方引出，以免混杂在液体中的气体影，以免混杂在液体中的气体影响取压。响取压。 7/20/202462传感器5电容传感器课件导压管配置图导压管配置图7/20/202463传感器5电容传感器课件节流式流量计外形节流式流量计外形7/20/202464传感器5电容传感器课件上海肯特智能有限公司卡门涡街流量计演示上海肯特智能有限公司卡门涡街流量计演示 气体或液体管道气体或液体管道及涡流发生锥体及涡流发生锥体另一种新型另一种新型流速式流量计流速式流量计7/20/202465传感器5电容传感器课件休息一下休息一下7/20/202466传感器5电容传感器课件
