第05章：电容传感器 66页课件

1、2022-5-11第第3 3章章 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传感器的原理及应用，还涉及压力、液位及流及应用，还涉及压力、液位及流量的测量方法。量的测量方法。2022-5-12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？ 0 rAACdd 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2022-5-13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、 三

2、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，可以做成三种类型的电固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。容传感器。 0 rAACdd 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2022-5-14一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，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是同心圆筒形是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在

3、外圆筒内作上、下直变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图线运动。图c c是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。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。2022-5-15 电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。出。第一节第一节 电容式传感器原理电容式传感器原理1.变

4、变面积面积式式 2.变变间隙间隙式式 3.变变介电常数介电常数式式2022-5-16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线性的，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。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！请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！2022-5-17二、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

5、d d，从而使电容量，从而使电容量发生变化。发生变化。 实际使用时，总是使初始极距实际使用时，总是使初始极距d0尽量尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极小些，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。距式电容器的行程较小的缺点。2022-5-18变极距式电容传感器的特性曲线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

6、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 2022-5-19三、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，电容器的电容量也就不同。就不同。表表5-1 5-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数2022-5-110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 根据根据表表5-15-1，分析，分析不同介质对变介电常数电容器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

7、纸的影响。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大？可以用于测量什么时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？非电量？2022-5-111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电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区

8、别？式中哪些量是变量？有何区别？式中哪些量是变量？01 5-22fL C2022-5-112调频（调频（FM）电路）电路TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？ 2022-5-113第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：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 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要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、介电想办法将被测非电量转换成极距或

9、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。来达到非电量电测的目的。 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。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套2022-5-115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

10、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。2022-5-116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2022-5-117智能化液位限位传

11、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2022-5-118二、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P

12、WM 脉脉冲。冲。2022-5-119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：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：M5 mm ， 线性误差：线性误差：1% 1% 2022-5-120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（下电极）底层多晶硅（下电极） 5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬

13、臂梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）2022-5-121 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅。图中的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，所以相是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C

14、2 2呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。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，所以频率响应可达达1kHz1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 10g 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传感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

15、度。器，就可以测量三维方向的振动或加速度。2022-5-122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 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，得的负加速度值超过设定值时， 微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，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。托住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2022-5-123汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用

16、使用加速度传感器可以在汽车发生碰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撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。 2022-5-124汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用2022-5-125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2022-5-126三、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

17、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（水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 2022-5-127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2022-5-128湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形2022-5-129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2022-5-130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 2022-5-131四、电容式油量表四、电容式油量表

18、机械式油量表：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。2022-5-132电容式油量表电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为 m处。处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量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），同时带动时带动RP的滑动臂移动

19、。当的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达阻值达到一定值时，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（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）。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？2022-5-133 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2022-5-134五、电容式接近开关五、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗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、人较大的绝

20、缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）体等） ；可以是接地的，也可以是不接地；可以是接地的，也可以是不接地的。的。 调节接近开关尾部的灵敏度调节电位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。器，可以根据被测物不同来改变动作距离。 2022-5-135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2022-5-136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。2022-5-137全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）2022-5-138电容接

21、近开关的规格电容接近开关的规格2022-5-139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2022-5-140 电容式接近开关在电容式接近开关在 液位物位测量控制中的使用液位物位测量控制中的使用2022-5-141 电容式接近开关在物位测量控制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示中的使用演示2022-5-142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2022-5-143本章作业：本章作业：P 94P 94：5 5、6 62022-5-144第五章：第四节第五章：第四节 压力和流量的测量压力和流量

22、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”（bar）和）和“托托”为压力单位。这些为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。 2022-5-145压力单位转换对照表压力单位转换对照表 2022-5-146二、电容式差压变送器二、电容式差压变送器 高压

23、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2022-5-147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 1010 腔腔2022-5-148各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 2022-5-149各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变

24、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2022-5-150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） 2022-5-151三、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 h2022-5-152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2022-5-153四、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

25、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，圆管道的直径的直径r =1m，则截面积，则截面积A=0.79m2 ，流量流量qV V= 7.9m3 /s 。2022-5-154五、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，有流速法、容积法、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、多轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、

26、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照普勒式、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。 2022-5-155叶轮式风流速、叶轮式风流速、流量计流量计 （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）2022-5-156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2022-5-157差压节流式流量计差压节流式流量计 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，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。所以必须进行温度、压力修正