《传感器技术及应用》-5.项目五 电容式传感器测量水位

知识目标：1.掌握电容式传感器的工作原理及特性；2.掌握电容式传感器的结构及测量电路；3.熟悉电容式传感器的应用。能力目标：1.能够正确安装电容式传感器；2.能够使用电容式传感器进行测量。项目要求工业生产和生活中经常用到水箱，在保持水位的自动抽水系统中，一般采用电容式液位传感器进行液位测量。学习本章知识完成CTS-DLQ型射频电容式物位变送器的使用与调校。知识链接以电容器为敏感元件，将被测物理量（如尺寸、压力等）的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:A——两平行板所覆盖的面积;ε——电容极板间介质的介电常数;d——两平行板之间的距离

；

ε0——真空的介电常数；

εr

——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，εr

≈1。

1、电容式传感器的原理+++

dA

知识链接改变A、d、

三个参数中的任意一个，均可使电容量C发生变化。这就是电容式传感器的基本工作原理。

1、电容式传感器的原理变面积式变极距式变介电常数式电容式传感器

2、电容式传感器的类型知识链接直线位移型电容式传感器（1）变面积式电容传感器当动极板相对定极板沿长度方向平移Δx后，电容量改变，灵敏度：

2、电容式传感器的类型知识链接角位移型电容式传感器（1）变面积式电容传感器当动极板有一角位移θ

时，两极板间相互覆盖的面积发生变化，其电容量改变。灵敏度为：

2、电容式传感器的类型知识链接（2）变极距型电容式传感器初始电容若极距缩小Δd其灵敏度

2、电容式传感器的类型知识链接结论：𝛥𝑑/𝑑«1,电容量的变化𝛥𝐶与

极板间距离的变化量𝛥𝑑是近似线性的关系；传感器非线性误差较大；增大S，减小d0，灵敏度K均提高；在实际应用中多采用差动结构（2）变极距型电容式传感器

2、电容式传感器的类型知识链接（2）变极距型电容式传感器图2电容量与距离的关系曲线图1极距变化与特性曲线关系

2、电容式传感器的类型知识链接（3）变介电常数型电容式传感器变介质常数式电容传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)

根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。

2、电容式传感器的类型知识链接（3）变介电常数型电容式传感器几种介质的相对介电常数

3、电容式传感器的测量电路知识链接电容式传感器中电容量以及电容量变化值都十分微小，不能直接为目前的显示仪表所显示；借助于测量电路检出这一微小电容增量，并转换成与其相适应的电量（电压、电流和频率等）；电容转换电路有电桥电路、调频电路、脉冲宽度调制电路、运算放大器电路等。

3、电容式传感器的测量电路知识链接（1）普通交流电桥差动电容式传感器交流电桥多种形式

3、电容式传感器的测量电路知识链接(2)调频测量电路•最大特点：能克服变极距型电容式传感器的非线性

3、电容式传感器的测量电路知识链接（3）运算放大器测量电路Cx­­电容式传感器电容C为固定电容Ui

交流电源电压U0输出信号电压Σ虚地点运算放大器测量电路原理图由运算放大器工作原理可知：

3、电容式传感器的测量电路

（3）运算放大器测量电路结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性

利用传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随传感器电容的电容量变化而变化，再通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。

3、电容式传感器的测量电路知识链接（4）差动脉宽调制电路电路由比较器、双稳态触发器、电容充放电回路构成。C1、C2为差动式传感器的两个电容，A1、A2为比较器，Ur为参考电压，R1、R2为充电电阻。

3、电容式传感器的测量电路知识链接（4）差动脉宽调制电路循环工作

3、电容式传感器的测量电路知识链接（4）差动脉宽调制电路采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频，波形纯度的要求不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的电压对输出矩形波的纯度要求不高优点

4、电容式传感器的特点知识链接结构简单，适应性强分辨率高动态响应好温度稳定性好可实现非接触测量，具有平均效应项目实施—任务分析电容式液位变送器，通过投入电容式压力传感器，把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，经过信号处理电路转换成标准信号输出，实现对液位深度的准确测量。广泛应用于石油、化工、电厂、城市供水、水文勘探领域的液位测量与控制。项目实施—实施步骤CTS－DLQ型射频电容式物位变送器端子接线图如下图所示1、电容式物位变速器的校验方法1-满仓键；2-空仓键；3-运行状态指示灯；4-电源指示灯；5-接线端子6-空仓标定指示灯；7-满仓标定指示灯；8-清除键项目实施—实施步骤（１）校验接线图。旋开变送器的前盖，按图5-10接线。（２）检查仪表工作状况。①把物位变送器放置桌上，接上稳压电源和标准毫安表，通电预热10min。②按下“清除＋空仓”键至“空仓标定指示灯”闪亮；再按下“清除＋满仓”键至“满仓标定指示灯”闪亮。③按下“空仓键”至“空仓标定指示灯”变长亮。④用手握住探极不放，同时按下“满仓键”至“满仓标定指示灯”变长亮，此时输出电流约为20mA；放开握住探极的手，电流约为4mA，则物位变送器功能正常。⑤按下“清除＋满仓”键至“空仓标定指示灯”闪亮；再按下“清除＋满仓”键至“满仓标定指示灯”闪亮，清除原标定数据。断电，准备到现场使用。1、电容式物位变速器的校验方法项目实施—实施步骤2、投放方法物位变送器的具体工作过程知识拓展1、物位的定义指设备中液体或固体物料表面位置，对应不同性质物料有以下定义2、物位检测仪表对物位进行测量，指示和控制的仪表。包括液位计、料位计和界面计。液位计：测量容器中液体介质高低的仪表；料位计：测量容器中固体或颗粒状物质堆积高度的仪表；界面计：测量两种密度不同且不相容的液体的介质的分界面的仪表液位：设备和容器中液体介质表面的高低；料位：设备和容器中储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度界位：指相界面位置。（液-液，液-固）分界面不够清楚，有浑浊段知识拓展3、物位检测的作用确定容器中的储料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。按工作原理可以分为：直读式、差压式、浮力式、电磁式、核辐射式、声波式和光学式等按测量方式分可分为：连续测量和定点测量（物位开关）4、物位检测仪表的分类应用拓展1、电容式油箱液位传感器1－油箱2－圆柱形电容器3－伺服电动机4－减速箱5－油量表应用拓展电容式油箱液位传感器工作原理当油箱中无油时，Cx＝

Cx0，即Rp的电阻值为0。此时，电桥满足平衡条件，电桥输出为零，油量表指针偏转角θ＝0。当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为θm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，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。应用拓展2、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应用拓展

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（定极板）9－弹性平膜片10－δ腔11－铝合金外壳12－限位波纹盘13－过压保护悬浮波纹膜片14－公共参考端（地电位）应用拓展各种电容式差压变送器外形应用拓展应用拓展利用电容差压变送器测量液体的液位

p=

gh施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比差压变送器应用拓展3、电容式测厚传感器（电容测厚仪）电容测厚仪用于测量金属板材在轧制过程中的厚度变化。板材只是上下波动，总的电容量Cx＝C1＋C2不变；板材的厚度变化使电容Cx变化板材是电容的动极板，总电容为Ｃ1＋C2，作为一个桥臂。应用拓展4、电容式湿敏传感器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，所以电容量增大。吸水高分子薄膜应用拓展

湿敏电容模块及传感器外形应用拓展

电容式湿敏传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型应用拓展5、电容式接近开关测量头通常是构成电容器的一