《传感器检测与应用》（省奖）作者王斌 学习情境5.饮料包装中液位的自动检测

1、传感器检测与应用传感器检测与应用学习情境五：液位的检测学习情境五：液位的检测 饮料包装中液位的自动检测饮料包装中液位的自动检测情境介绍：情境介绍： 饮料包装中产品净含量是否达标是产品质量的一个重要指标。虽然在饮料灌注机上使用精确流量计来满足定量灌装的要求，但灌注机长期高速运行会导致灌注机件磨损或喷管堵塞，从而造成灌注的实际值设定值有偏差；有些含气饮料刚灌注好时会有大量泡沫存在，如果瓶盖没盖严，饮料将会溢出，从而导致饮料实际含量偏低。所以，在实际生产中，饮料灌装好后要用液位检测仪实时检测瓶子的液位。 电容式传感器能够方便准确地检测出液位是否满足要求，本学习情境在电容传感器基本原理的基础上，通过电

2、容传感器的运用，实现了一种饮料液位自动检测装置。学习情境五：液位的检测学习情境五：液位的检测 饮料包装中液位的自动检测饮料包装中液位的自动检测学习要点：学习要点： l电容传感器工作原理、分类及转换电路；l电容传感器的应用；l饮料液位检测的实现方法和电路基本原理，电路制作、调试过程。l知识点拨知识点拨l电容式传感器实现液位的检测电容式传感器实现液位的检测l饮料包装中液位检测电路的设计饮料包装中液位检测电路的设计l知识拓展知识拓展学习情境五：液位的检测学习情境五：液位的检测 饮料包装中液位的自动检测饮料包装中液位的自动检测一、电容式传感器的工作原理一、电容式传感器的工作原理二、电容式传感器的结构类

3、型二、电容式传感器的结构类型 左式中，哪左式中，哪几个参量是变几个参量是变量？可以做成量？可以做成哪几种类型的哪几种类型的电容传感器？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一、电容式传感器的工作原理一、电容式传感器的工作原理 电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。换为电压、电流或频率。 改变改变A A、d d、 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

4、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电容传感器的基本理想公式 d d：极板间距离；极板间距离； A A：极板面积；：极板面积； ：电容极板间介质的介电常数。：电容极板间介质的介电常数。 二、二、电容式传感器的电容式传感器的结构类型结构类型1 1、变面积式、变面积式（1 1）结构）结构l对平行板电容：一极板固定，另一极板可左右移动，从而改对平行板电容：一极板固定，另一极板可左右移动，从而改变了两极板间的遮盖面积（减小），电容量随之减小。变了两极板间的遮盖面积（

5、减小），电容量随之减小。l对同心圆筒形电容：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、对同心圆筒形电容：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动，两圆筒间隙不变，从而改变了两同心圆筒的遮下直线运动，两圆筒间隙不变，从而改变了两同心圆筒的遮盖面积，电容量随之改变。盖面积，电容量随之改变。l对转角型电容：一极板不动，另一极板由被测物体带动而旋对转角型电容：一极板不动，另一极板由被测物体带动而旋转一个角位移时，两极板遮盖面积减小，电容量随之减小。转一个角位移时，两极板遮盖面积减小，电容量随之减小。 （2 2）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

6、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。2 2、变极距式、变极距式 当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两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极板之间的距离d d，从而使电容量发生变化。，从而使电容量发生变化。 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小些还小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0

7、 0较小时，它较小时，它的测量范围变大还是变小？的测量范围变大还是变小？ a a） 结构示意图结构示意图 b b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1 1定极板定极板 2 2动极板动极板 特点：特点： l初始极距初始极距d d0 0越小，对同样的位移越小，对同样的位移X X所引起的电容变化量越大，即所引起的电容变化量越大，即灵敏度越高。灵敏度越高。 l实际使用时，总是使初始极距实际使用时，总是使初始极距d d0 0尽量小些，以提高灵敏度，但这尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。较小的缺点。l输出特性为非线性，可以由计算输出

8、特性为非线性，可以由计算机修正。机修正。改进：改进：差动式电容传感器差动式电容传感器 从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差动电容传感器的分析差动电容传感器的好处好处：提高传感器的灵敏度，：提高传感器的灵敏度，减小非线性；外界的影响诸如温度、激励源电压、频减小非线性；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。率变化等也基本能相互抵消。3 3、变介电常数式、变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在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，电容器的电容量电容器两极板间插入不同介质时，电容器的

9、电容量也就不同。也就不同。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 根据表根据表5-15-1，分析不同介质对变介电常数电容器，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？l变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。体的液位等。l当某种介质处于两极板间时，介质厚度当某种

10、介质处于两极板间时，介质厚度越厚，越厚，电容量也就越大。电容量也就越大。 一、测量转换电路一、测量转换电路二、电容式液位检测二、电容式液位检测一、测量转换电路一、测量转换电路 1 1、变压器电桥、变压器电桥（1 1）单臂接法）单臂接法：由三个标准电容和电容传感器构成桥路的四个桥臂，当电容传感器的电容值与标准电容相等时，桥路输出为零；当电容传感器的电容量发生变化时，桥路产生输出信号，输出电压的大小与被测电容成正比。（2 2）差动接法：）差动接法： 采用差动电容传感器，其输出电压的大小与传感器电容的变化量成正比；相位须由相敏检波电路分辨，才能检测出电容传感器的位移方向。 调频电路将电容式传感器作为

11、调频电路将电容式传感器作为 LC LC 振荡器谐振回振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容路的一部分，当电容传感器工作时，电容C Cx x 发生变化，发生变化，就使振荡器的频率就使振荡器的频率 f 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？式中哪些量是变量？何区别？式中哪些量是变量？01 5-22fL C2、调频电路、调频电路调频（调频（FMFM）电路）电路 1、液位检测原理、液位检测原理 当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电

12、极间不同介电常数介质状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变大。而导致总的电容量变大。 二、电容式液位检测二、电容式液位检测 经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：BxACx也就是说也就是说灵敏度为常数灵敏度为常数。其中。其中A A、B B均为与结构和介质均为与结构和介质有关的常数。有关的常数。2 2、电容式液位计、电容式液位计 棒状电极（金

13、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位液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。出为高电平的型号。液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的

14、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指正常工作指示灯示灯设定按钮设定按钮电源指示灯电源指示灯3、电容式油量表、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表： 在油箱内，装有在油箱内，装有类似卫生间水箱里类似卫生间水箱里的浮球，通

15、过杠杆的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表电位器，由电流表指示出油量。指示出油量。电容式油量表电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升至当油箱中注满油时，液位上升至h h，电容量发生变，电容量发生变化，电桥失去平衡，输出电压信号放大后驱动伺服电机，化，电桥失去平衡，输出电压信号放大后驱动伺服电机，带动指针偏转，同时带动滑触点移动，使电桥重新平衡，带动指针偏转，同时带动滑触点移动，使电桥重新平衡，电机停转，指针停留在转角电机停转，指针停留在转角处。处。 上页所示的油量表在倾斜状态时可以上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？使用吗？为什么？ 该油量表可用于该油

16、量表可用于飞机油箱飞机油箱 目前，饮料包装中的液位检测方法主要有射线、红外线、光学、红外热成像以及声波等，但这些方法都有一定的缺陷。利用电容式传感器进行液位测量的基本原理，可以设计出一套测量精度高、速度快、造价低、维护容易的液位检测装置，两且这个设备对被测对象没有过多要求，对人体没有伤害。本设计实现的液位检测利用的是变介电常数式的电容传感器工作原理。一、检测原理一、检测原理 以玻璃瓶装饮料为例，电容传感器的两块电极放置在瓶颈两侧，电极与瓶颈之间留有一定的间距，以免瓶子在输送带上运行时碰撞到电极，电极的离度以液位在电极的检测范围内为宜。这样两电极间有三种介质，分别是饮料，玻璃和空气。传感器检测电

17、路C C 已知饮料(水)为极性电介质，其相对介电常数为81，玻璃和空气属非极性电介质，介电常数分别势2.2和1。由于水的介电常数远大予空气和玻璃的介电常数，所以瓶中液位的变化将明显改变检测电极的电容。当液位增加时，电容增大，液位降低时，电容减小。失了检测电容的变化，把传感器电容C和固定电阻R串联起来，接在高频信号源上。高频振荡源产生稳定的正弦波，当电容增大时，电路阻抗降低，流过R上的电流量增大，R上的电压增大。把R上的电压放大、整流、滤波后就可以得到稳定的直流电压输出，通过和给定的电压值进行比较，就可以判断液位是否合格。原理分析原理分析二、传感器电路设计二、传感器电路设计1 1、振荡源电路、振

18、荡源电路 晶体振荡电路具有很高的频率稳定度，输出振幅稳定，受温度变化影响小，容易起振。这些优点满足了高频振荡源的设计要求。本电路采用一个调谐式晶体管晶体振荡电路。晶体呈感性。Lo、Co够成输出调谐电路，使回路呈容性，同时还能滤除高次谐波，得输出接近正弦的波形。整个电路实际为一个标准的电容三点式振荡器。 2 2、检测电路、检测电路 本电路使用集成芯片TCA440作为混频器，此芯片不仅包含吉尔伯特双平衡混频电路还包含4级中频放大电路。吉尔伯特双平衡混频电路可以稳定检测到的微弱变化信号。 芯片的输出信号仍比较微弱且存在杂波，如果直接整流，无法达到二极管的最小正向电压。于是输出端接上LC串联谐振滤波电

19、路后，再接上一级共射极放大电路。信号的整流滤波电路由射极跟随器、锗二极管和低通滤波器(R1，C3)组成。 为了方便后期数据处理，用电压源型低通滤波器，滤除直流信号中的交流噪声；通过调节基准电压的大小，最终得到适合的直流输出电压。三、检测系统的设计三、检测系统的设计 液位检测装置的系统构成下图，控制器C8051F021片内集成了AD转换模块，转换精度高、转换速度快能够满足快速液位检测的要求。为了实现系统的自动检测，使用光电开关作为AD转换的触发信号，当输送带上的瓶子运行到检测电极的范围内时，光电开关输出一个负脉冲，启动中断程序，执行AD转换，如果AD转换的值大于给定值，表明该瓶液位合格；如果转换

20、结果小于给定值，表明该液位不合格，单片机启动剔除器，把液位不合格的瓶子剔除掉。l是否掌握电容式传感器的基本原理和类型；l是否掌握利用电容式传感器进行液位测量的原理；l能否正确分析饮料液位自动检测设备的系统结构以及主要电路的工作原理。l对液位检测的结果能否正确分析传感器的性能好坏。 电容式传感器的其他用途电容式传感器的其他用途 差动差动电容式差压变送器电容式差压变送器 电容式传感器的其他用途电容式传感器的其他用途 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 x、相对、相对面积面积A A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变量，电容量。固定其中两个变量，电

21、容量C C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量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。量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。 一、电容式测厚仪一、电容式测厚仪 被测金属带材的上下各放置一块面积相等、与带材被测金属带材的上下各放置一块面积相等、与带材距离相等的极板，与带材构成两个电容距离相等的极板，与带材构成两个电容C1C1和和C2C2。将两极。将两极板用导线连起来，则板用导线连起来，则C1C1和和C2C2并联，其总电容为并联，其总电

22、容为C1+C2C1+C2。如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化，用交流如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，可由显示仪表电桥将电容的变化检测出来，经过放大，可由显示仪表显示出带材厚度的变化。使用上、下两个极板，是为了显示出带材厚度的变化。使用上、下两个极板，是为了克服带材在传输过程中的上下波动带来的误差。克服带材在传输过程中的上下波动带来的误差。 二、转速测量二、转速测量 当齿轮转动当齿轮转动时，电容量发时，电容量发生周期性变化，生周期性变化，通过测量电路通过测量电路转换成脉冲信转换成脉冲信号，则频率计号，则频率计显示的频率代显示的频率代表转速

23、大小。表转速大小。三、电容加速度传感器三、电容加速度传感器 图示加速度传感器以图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为度。其工作电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测量范围为，加速度测量范围为数个数个g g，可输出与加速度成，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比的电压也可输出占空比正比于加速度的正比于加速度的PWM PWM 脉冲。脉冲。硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器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

24、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臂梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极） C1C1、C2C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将体中的信号处理电路将C C 转换成直流输出电压。转换成直流输出电压。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传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。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加速度传感器在汽车

25、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，微处理器据此判断发生了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碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而撞，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。膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感器装有传感器的假的假人人气囊气囊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时，经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控制系统使气囊迅速充气 。

26、 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四、湿敏电容四、湿敏电容 原理原理: :利用具有很大利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对相对湿度增大湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使时，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相对介电常数为8080），所以），所以电容量增大电容量增大。 类型类型: :多孔性氧化铝、吸水高分子

27、薄膜多孔性氧化铝、吸水高分子薄膜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 特性见图特性见图5-125-12吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜湿敏电容外形湿敏电容外形特点：特点：线性好线性好湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形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、介质损耗较大的导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）（例如饲料、人体等） ；可；可以是接地的，也可以是不接地的。以是接地

28、的，也可以是不接地的。 调节接近开关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。来改变动作距离。 1 1、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，传感器高于安装支架，易损坏。非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。全密封防水全密封防水式式远距离式（大量程）远距离式（大量程）电容式接近开关外形电容式接近开关外形电容接近开关的规格电容接近开关的规格2 2、电容式接近开关特性、电容式接近开关特性l被测物为导电体：灵敏度最高被测物为导电体：灵敏

29、度最高l被测物为介质损耗大的绝缘体（含水的有机物）：被测物为介质损耗大的绝缘体（含水的有机物）：灵敏度较低灵敏度较低l被测物为介质损耗小的绝缘体（玻璃、塑料等）：被测物为介质损耗小的绝缘体（玻璃、塑料等）：灵敏度极低灵敏度极低 使用时要原理金属以及高频电场。使用时要原理金属以及高频电场。不同材料的非金属检测物对电容式接近开关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动作距离的影响3 3、电容式接近开关的使用、电容式接近开关的使用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电容式接近开关在液位控制中的使用电容式接近开关在液位控制中的使用电容式接近开关在物位测

30、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电容指纹识别电容指纹识别六、其它测量六、其它测量角位移测量角位移测量三星三星SPHSPHV6800V6800手机采用电容传感器控制某些手机采用电容传感器控制某些功能，取代了部分机械按键功能，取代了部分机械按键 差动电容式差压变送器差动电容式差压变送器 一、压力的基本概念一、压力的基本概念 1 1、概念：、概念：物理中的物理中的“压强压强”在检验和工业领域称为压力。在检验和工业领域称为压力。2 2、单位：、单位：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”（PaPa）。）。 除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。

31、除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如如“工程大气压工程大气压”、“标准大气压标准大气压”、“毫米汞柱毫米汞柱”，气，气象学中还用象学中还用“巴巴”（barbar）和）和“托托”为压力单位。为压力单位。压力单位转换对照表压力单位转换对照表 3 3、类型、类型l绝对压力传感器绝对压力传感器 以真空为起点的压力以真空为起点的压力l差压传感器差压传感器 两个压力之差两个压力之差 p=p1-p2p=p1-p2l表压传感器表压传感器 差压传感器的一端向大气敞开差压传感器的一端向大气敞开二、电容式差压变送器二、电容式差压变送器 高压侧进高压侧进气口气口低压侧进低压侧进气口气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置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