機(jī)械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類(lèi)規(guī)劃教材

《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第五章

多媒體課件

2009－5－1更新2/4/20231在這一章里，卡卡要給大家介紹電容傳感器的基本原理、特性和應(yīng)用，也集中講一講在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的壓力、液位和流量測(cè)量。在測(cè)量中，被測(cè)物理量通過(guò)電容傳感器轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或頻率。電容傳感器的最大特點(diǎn)是反應(yīng)快。第五章電容傳感器2/4/20232第五章電容傳感器原理動(dòng)畫(huà)我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)一只老式收音機(jī)后蓋，可以看到一只“可變電容器”。增加該電容器“動(dòng)片”的旋出角度，收音機(jī)的諧振頻率就逐漸升高，所接收到的電臺(tái)頻率也逐漸升高。結(jié)論：這個(gè)電容器的電容量與兩個(gè)幾班的有效投影面積成正比。2/4/20233第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類(lèi)型的電容傳感器？

電容傳感器的基本理想公式為2/4/20234第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式改變A、d、三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類(lèi)型的電容傳感器。

從電工知識(shí)可知，電容傳感器的電容量C與兩極板相互遮蓋的有效面積A以及兩極板之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)εr成正比，與兩極板間的距離d（常稱(chēng)為極距）成反比。回顧一下2/4/20235一、變面積式電容傳感器圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱(chēng)為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱(chēng)為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。圖c是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移

度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。2/4/20236變面積式電容傳感器的特性

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類(lèi)傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。

請(qǐng)畫(huà)出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！2/4/20237二、變極距式電容傳感器

當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。2/4/20238變極距式電容傳感器的特性曲線

a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—?jiǎng)訕O板

觀察圖5-4b所示的變極距式電容傳感器特性曲線，變極距式電容傳感器的特性是什么曲線？當(dāng)初始安裝距離d0較小時(shí)所引起的電容變化量ΔC1，與d0較大時(shí)的ΔC2比較，靈敏度哪個(gè)高？對(duì)行程有何影響？2/4/20239差動(dòng)式電容傳感器

在第四章里，卡卡給大家介紹過(guò)差動(dòng)電感的特性及優(yōu)點(diǎn)，大家還記得嗎？回顧一下a）差動(dòng)變極距式b）差動(dòng)變面積式1－動(dòng)極板2－定極板差動(dòng)電容傳感器的靈敏度提高近一倍，線性也得到改善。外界的影響諸如溫度、激勵(lì)源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消。電容傳感器的非線性誤差還可以進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算修正。2/4/202310三、變介電常數(shù)式

因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2/4/202311變介電常數(shù)式電容傳感器的用途思考

根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量變大？可用于測(cè)量什么非電量？2/4/202312第二節(jié)電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

（調(diào)頻電路）調(diào)頻電路將電容式傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？2/4/202313調(diào)頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？

2/4/202314第三節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對(duì)面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個(gè)變量，電容量C就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。

2/4/202315一、電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套2/4/202316電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開(kāi)關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。2/4/202317液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕2/4/202318智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈2/4/202319二、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2/4/202320微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2/4/202321硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）2/4/202322加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車(chē)前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊2/4/202323汽車(chē)氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2/4/202324汽車(chē)氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用2/4/202325利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置2/4/202326三、濕敏電容

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

2/4/202327濕敏電容外形吸水高分子薄膜2/4/202328濕敏電容模塊及傳感器外形2/4/202329濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型2/4/202330多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

2/4/202331四、電容式油量表

機(jī)械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類(lèi)似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤(pán)電位器，由電流表指示出油量。2/4/202332電容式油量表當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。該油量表屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？2/4/202333上頁(yè)所示的油量表在傾斜狀態(tài)時(shí)可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機(jī)油箱2/4/202334三、電容式接近開(kāi)關(guān)

被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開(kāi)關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測(cè)物不同來(lái)改變動(dòng)作距離。在第四章里，曾介紹過(guò)“電感式接近開(kāi)關(guān)”，它能判斷金屬物體靠近與否。回顧一下2/4/202335電容式接近開(kāi)關(guān)外形齊平式非齊平式2/4/202336非齊平式接近開(kāi)關(guān)的安裝非齊平式安裝時(shí)，傳感器端部高于安裝支架，易損壞。2/4/202337全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）2/4/202338電容接近開(kāi)關(guān)的規(guī)格2/4/202339電容式接近開(kāi)關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用2/4/202340電容式接近開(kāi)關(guān)在

液位物位測(cè)量

控制中的使用對(duì)應(yīng)的光柱顯示2/4/202341電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用2/4/202342電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示2/4/202343不同材料的非金屬檢測(cè)物對(duì)電容式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的影響2/4/202344第四節(jié)壓力和流量的測(cè)量一、壓力的基本概念

壓力的國(guó)際單位為“帕斯卡”，簡(jiǎn)稱(chēng)“帕”（Pa）。除此之外，工程界長(zhǎng)期使用許多不同的壓力計(jì)量單位。如“工程大氣壓”、“標(biāo)準(zhǔn)大氣壓”、“毫米汞柱”，氣象學(xué)中還用“巴”（bar）和“托”為壓力單位。這些單位在一些進(jìn)口儀表說(shuō)明書(shū)上可能還會(huì)見(jiàn)到。2/4/202345壓力單位轉(zhuǎn)換對(duì)照表

2/4/202346二、電容式差壓變送器高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置2/4/202347電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—高壓側(cè)進(jìn)氣口2—低壓側(cè)進(jìn)氣口

3—過(guò)濾片

4—空腔5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片6—導(dǎo)壓硅油

7—凹形玻璃圓片8—鍍金凹形電極

9—彈性平膜片

10—

腔2/4/202348各種電容式差壓變送器外形

2/4/202349各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）（參考丹東長(zhǎng)隆自控有限公司資料）法蘭2/4/202350各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）2/4/202351三、利用電容差壓變送器

測(cè)量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=gh2/4/202352電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位

投入式水位計(jì)2/4/202353四、流量的基本概念體積流量qV=Av，單位為m3/h或L/s；質(zhì)量流量qm=Av，單位為t/h或kg/s。

例：設(shè)測(cè)得流速v=10m/s，圓管道的直徑r=1m，則截面積A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。流量是指流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)，分別稱(chēng)為體積流量qV和質(zhì)量流量qm。這種單位時(shí)間內(nèi)的流量統(tǒng)稱(chēng)為瞬時(shí)流量q。把瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間t進(jìn)行累計(jì)，求出累計(jì)體積或累計(jì)質(zhì)量的總和，稱(chēng)為累積流量，也叫總量。2/4/202354五、流量的測(cè)量方法

測(cè)量流量的方法很多，有流速法、容積法、質(zhì)量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦輪式、卡門(mén)渦流式（又稱(chēng)渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量系數(shù)計(jì)算公式是相當(dāng)完備的，所以它是一種可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化較高的流量傳感器，所以在工業(yè)中大量使用差壓式流量計(jì)。

2/4/202355葉輪式風(fēng)流速、流量計(jì)（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）