传感器与检测技术 3电容式压力压差变送器的使用和分析

传感器与检测技术电容式压力压差变送器的使用和分析——项目导入项目导入电容式压力压差变送器知识目标能力目标素质目标知识技能素质电容式传感器工作原理电容式传感器测量电路电容应变式传感器应用项目实施电容式传感器特性实训电容式压力/差压变送器的选型与使用项目拓评项目小结项目评价传感器与检测技术电容式压力压差变送器的使用和分析——项目导入3.1项目导入3.1项目导入一、案例介绍3.1项目导入二、教学目标1）掌握电容式传感器的工作原理。2）掌握电容式传感器的类型及特性。3）熟悉电容式传感器的典型应用和测量方法。知识目标1）会分析各种电容式传感器的工作原理。2）会根据使用场合、传感器特性等选择不同电容式传感器及型号。3）会根据传感器手册正确使用各种电容式传感器。4）会根据工业上的电压、电流标准分析传感器信号。能力目标1）培养善于思考、勤于总结的良好习惯。2）培养精益求精、敢于创新的工匠精神。3）提升规则意识，养成爱岗敬业的职业规范。素质目标传感器与检测技术电容式压力压差变送器的使用和分析——相关知识与技能：电容式传感器工作原理3.2相关知识与技能3.2.1电容式传感器工作原理一、电容式传感器外形及结构3.2.1电容式传感器工作原理二、电容式传感器工作原理忽略板极边缘影响，Adε平板电容器A

—极板相对覆盖面积；d—极板间距离；ε—电容极板间介质的介电常数εr—相对介电常数；ε0

—真空介电常数，ε0

＝8.85pF/m3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性电容式传感器可分为：变间隙（d）型；变面积（A）型；变介电常数（εг）型。极板间距d或极板相对覆盖面积A的变化可反映线性位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；相对介电常数εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型平板型C0=εa0b/d0

增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。采用锯齿板目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型平板型圆筒型

变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型平板型圆筒型角位移型

当动片有一角位移→两极板间覆盖面积就发生变化→导致电容量的变化3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型

当x＜＜d0时

3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型实际应用中，采用差动式结构，以提高灵敏度，减小非线性。（a）差动变间隙型电容传感器（b）差动变面积型电容传感器3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型3、变介电常数型

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，电容器的电容量也就不同。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？3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型3、变介电常数型

变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的位移、压力、厚度、加速度、液位、物位和成分含量等的检测，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。δx变介电常数型电容式传感器测厚度C1C2C3Ca

—固定极板长；b

—固定极板宽；ε

—被测物的介电常数；ε0—两固定极板间隙中空气介电常数，ε0≈8.86×10-12F/m；δx—被测物的厚度。3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型3、变介电常数型设极板间无ε2介质时的电容量为：测量物位或液位，测量位移。传感器的电容量为3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型3、变介电常数型可见，电容量C与位移x呈线性关系。

当ε2介质插入两极板间则有：

3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型3、变介电常数型测量液位

可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。

3.2.1电容式传感器工作原理三、电容式传感器类型及特性1、变面积型2、变间隙型3、变介电常数型例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr

＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：3.2.2电容式传感器测量电路一、交流桥式测量电路单臂桥式电路差分桥式电路

3.2.2电容式传感器测量电路一、交流桥式测量电路单臂桥式电路差分桥式电路例：有一差动电容传感器其测量电路采用变压器交流电桥，结构如图所示。电容传感器起始时b=20mm，a=10mm，极距d=5mm，极间介质为空气，测量电路中ui=sinωtV，试求动极板上输入一位移量Δd=0.2mm时的电桥输出电压u0。

【解】3.2.2电容式传感器测量电路一、交流桥式测量电路单臂桥式电路差分桥式电路桥式测量电路使用注意事项：①高频交流正弦波供电。②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施。③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥。④输出阻抗很高（几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高輸入阻抗、高放大倍数的处理电路。3.2.2电容式传感器测量电路二、二极管双T形电路单臂桥式电路（a）电路原理图

（b）电源为正半周时

（c）电源为正半周时负半周：C2充电，C1放电正半周：C1充电，C2放电如果C1=C2，R1=R2=R，则正、负半周对称3.2.2电容式传感器测量电路二、二极管双T形电路单臂桥式电路（a）电路原理图

（b）电源为正半周时

（c）电源为正半周时负半周：C2充电，C1放电正半周：C1充电，C2放电

如果C1>C2

正半周：C1充电电量增多，C2放电情况不变。输出正电压情况不变。

负半周：C2充电情况不变，C1放电电流增大。输出负电压变小。3.2.2电容式传感器测量电路二、二极管双T形电路单臂桥式电路（a）电路原理图

（b）电源为正半周时

（c）电源为正半周时

结论：如果C1、C2电容有一个发生改变，则正、负半周电流将不再对称，会出现一个半周大、另一个半周小的情况，输出电压平均值将取决于电容的差：

3.2.2电容式传感器测量电路二、二极管双T形电路单臂桥式电路（a）电路原理图

（b）电源为正半周时

（c）电源为正半周时

特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响。②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定。③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点。④适用于具有线性特性的单组式和差分式电容式传感器，可用于动态测量。3.2.2电容式传感器测量电路三、脉宽调制电路T1、T2：电容充电时间常数工作状态，即C1≠C2时，输出电压为当R1=R2=R，则有升压变1原1原0充电输出限幅011（a）C1=C2

（b）C1≠C23.2.2电容式传感器测量电路三、脉宽调制电路当R1=R2=R，则有初始C1=C2，M、N等间隔0、1翻转，输出平均电压为0。如果C1、C2不等，M、N翻转将不再等间隔，输出平均电压会向正（或负）偏离：脉宽调制电路的输出与传感器电容变化成线性关系该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也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直流电压，对输出形波的纯度要求也不高。3.2.2电容式传感器测量电路四、调频电路

初始振荡频率：电容改变∆C后的振荡频率：电缆分布电容Cc固定电容传感器电容振荡电感振荡频率变化电压变化3.2.2电容式传感器测量电路五、运算放大器式电路例：C0=200pF，传感器的起始电容量Cx0=20pF，定动极板距离d0=1.5mm，输入电压ui=5sinωt（V）。求当电容传感动极板上输入一位移量△x=0.15mm使d0减小时,电路输出电压uo为多少?【解】

3.2.3电容式传感器应用一、电容式位移传感器2.工作原理

3.特点:有良好的线性测杆固定电极活动电极开槽片簧1.结构

3.2.3电容式传感器应用一、电容式位移传感器请分析电容式传感器测量金属带材厚度原理3.2.3电容式传感器应用二、电容式压力传感器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3.2.3电容式传感器应用二、电容式压力传感器法兰3.2.3电容式传感器应用二、电容式压力传感器差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：

p=

gh利用电容差压变送器测量液体的液位3.2.3电容式传感器应用三、电容式加速度传感器其工作电压为2.7～5.25V，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。3.2.3电容式传感器应用三、电容式加速度传感器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）3.2.3电容式传感器应用三、电容式加速度传感器装有传感器的假人气囊加速度传感器在汽车中的应用3.2.3电容式传感器应用三、电容式加速度传感器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。汽车气囊的保护作用3.2.3电容式传感器应用三、电容式加速度传感器汽车气囊对驾驶员的保护作用3.2.3电容式传感器应用四、电容式液位传感器3.2.3电容式传感器应用四、电容式液位传感器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。3.2.3电容式传感器应用四、电容式液位传感器电容式油量表3.2.3电容式传感器应用五、电容式荷重传感器1.结构：镍铬钼钢板上打一排圆孔,孔内壁固定两个T型绝缘体形成一排电容器2.工作原理荷重dC

传感器与检测技术电容式压力压差变送器的使用和分析——项目实施：电容式传感器位移特性实训3.3项目实施3.3.1电容式传感器位移特性实训一、电容式传感器位移特性测试1．实训器件电容传感器、电容传感器实训模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源2．实训步骤1）安装电容式传感器3.3.1电容式传感器位移特性实训一、电容式传感器位移特性测试1．实训器件电容传感器、电容传感器实训模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源2．实训步骤1）安装电容式传感器2）接线3）上电4）位移测量并记录3.3.1电容式传感器位移特性实训二、电容式传感器动态特性测试1．实训器件电容传感器、电容传感器实训模板、低通滤波模板、数显单元、直流稳压源、双线示波器2．实训步骤1）按找位移特性实验接线，Vo1接滤波器输入端、滤波器输出端Vo接示波器一个通道。2）调节传感器连接支架高度，使Vo1输出在零点附近。3）主控箱低频振荡器输出端与振动台激励源相接，振动频率选6－10HZ之间，幅度旋钮初始置0。4）输入±15V电源到实训模板，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮取使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。5）保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与数显Fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。从示波器测出传感器输出的Vo1峰－峰值。保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的Vo1峰－峰值。传感器与检测技术电容式压力压差变送器的使用和分析——项目实施：电容式压力/差压变送器的选型与使用3.3项目实施3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用一、电容式压力/差压变送器选型

TXY820-3051型电容式差压变送器选型表压力/差压变送器的选用主要依据：以被测介质的性质指标为准，以节约资金、便于安装和维护为参考。如果被测介质为高黏度、易结晶、强腐蚀的，必须选用隔离型变送器。3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用二、电容式压力/差压变送器安装3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用三、电容式压力/差压变送器接线所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线；另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用四、电容式压力/差压变送器信号分析

将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，并安装在检测现场，在工业中经常被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用四、电容式压力/差压变送器信号分析

新的国家标准规定电流输出为4～20mA；电压输出为1～5V(旧国标为0～10mA或0`2V)。4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。10℃————————110℃4mA20mA正比线性化12816100=60℃IX4mA10℃20mA100℃10mATI？3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用四、电容式压力/差压变送器信号分析4~20mA二线制仪表接线方法3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用四、电容式压力/差压变送器信号分析（4~20mA）4~20mA二线制仪表接线方法图中，若取样电RL=250.0

，则对应于4～20mA的输出电压Uo为1～5V。4mA20mA1V5V3.3.2电容式压力/差压变送器的选型与使用四、电容式压力/差压变送器信号分析