1、2020/7/3,1,第五章電容傳感器,章節(jié)導入：電容傳感器以各種類型的電容作為傳感元件，通過它將被測量轉(zhuǎn)化為電容量，然后再轉(zhuǎn)化為電壓、電流、頻率。本章要點：1、電容傳感器的類型及工作原理2、電容傳感器的靈敏度及輸出特性3、電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路4、電容傳感器的應用,2020/7/3,2,電容傳感器工作原理可以用平板電容說明：,改變式中S極板面積，稱變面積型傳感器極板距離，稱變極距型傳感器介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型傳感器真空介電常數(shù)相對介電常數(shù)，無介質(zhì)時空氣介質(zhì)r=1,第一節(jié)電容式傳感的結(jié)構(gòu)形式及工作原理,2020/7/3,3,一、變面積式電容傳感器,1、結(jié)構(gòu)圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1

2、可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒3不動，內(nèi)圓筒4在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動,5是導軌。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板1的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。,2020/7/3,4,2、變面積式電容傳感器的特性平板電容：,當動極板移動X后兩極板間電容量為：,初始電容:,電容的相對變化量:,平板變面積型電容傳感器靈敏度,結(jié)論：增大極板長度，減小極板距離都可提高靈敏度變面積式電容傳感器靈敏度K為常數(shù)；輸出特性為線性；適合大位移測量。,a,b,2020/7/3,5,變面積式電容傳感器的特性同心

3、圓筒變面積式：電容變化及靈敏度為,結(jié)論：內(nèi)外圓筒的半徑差越小，靈敏度越高。實際使用時，外圓筒必須接地，這樣可以屏蔽外界干擾，并且能減小周圍人體及金屬體對內(nèi)圓筒的分布電容，減小誤差。,2R,2r,x,h0,3,4,5,2020/7/3,6,變面積式電容傳感器的特性角位移式：電容變化及靈敏度為,結(jié)論：增加動極板和定極板的對數(shù)，靈敏度越高。實際使用時，動極板接地，必須做一個接地的金屬屏蔽盒，將定極板屏蔽。,1,2,2020/7/3,7,二、變極距式電容傳感器,初始電容,當減小時，電容C增加,2,靈敏度為：,2020/7/3,8,變極距式電容傳感器的特性,從上式得出結(jié)論：1、初始極距小，靈敏度高。2、

4、非線性（缺點）3、行程較?。▋蓧K極板短路）。采用差動形式：1、提高傳感器的靈敏度，減小非線性。2、外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消,C1,C2,d2,d1,x,x,C1,C2,L0-x,L0+x,2020/7/3,9,三、變介電常數(shù)式,因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。利用這種原理制成的傳感器叫做變介電常數(shù)式傳感器。例如：1、當某種介質(zhì)處于兩極板間時，介質(zhì)厚度越厚，電容量也就越大。2、當介質(zhì)厚度保持不變、而相對介電常數(shù)r改變，如空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣（r水1）時，電容量將變大。3、當被測液體（絕緣體）的液面

5、在兩個同心圓金屬管狀電極間上下變化時，引起兩電極間不同介電常數(shù)介質(zhì)（上半部分為空氣，下半部分為液體）的高度變化，因而導致總的電容量變大。變介電常數(shù)式電容傳感器可以檢測片狀材料的厚度、性質(zhì)，顆粒狀物體的含水量以及測量液體的液位等。,2020/7/3,10,三、變介電常數(shù)式（幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù),2020/7/3,11,第二節(jié)電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路,電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓、頻率的變化。一、橋式電路橋式電路是電容傳感器轉(zhuǎn)換電路中最常見的電路之一。,ui1MHz,ui1MHz,uo,C1,C2,Cx,C3,Cx1,Cx2,uo,單臂橋接法

6、,差動接法,2020/7/3,12,Cx為電容傳感器，當交流電橋平衡時，其平衡條件為：當Cx變化時，即橋路有輸出電壓，上述指單臂橋接法。差動接法時，若Cx1=Cx2，因兩電容上疊加的交流電壓值相等但相位相反，則。若CX1CX2，因兩電容上疊加的交流電壓值不等相位相反，則，即橋路有輸出電壓。相位由相敏檢波電路分辨,2020/7/3,13,二、調(diào)頻（FM）電路,調(diào)頻測量電路把電容傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入被測信號使電容發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。其中L為固定電感，電容C包含諧振回路中的微調(diào)電容C1，傳感器電纜分布電容Cc以及變化電容Cx,由于系統(tǒng)是非線性的，必須加入鑒頻器將

7、頻率變化轉(zhuǎn)化換為電壓的變化。,2020/7/3,14,優(yōu)點：抗干擾能力強，可以取得高電平的直流信號。已克服分布電容的影響。,Cx,L0,調(diào)頻振蕩器,限幅器,鑒頻器,放大器,ff,UoU,TTL去計算機,電壓輸出,2020/7/3,15,三、脈寬調(diào)制（PWM）電路,電路組成：A1、A2比較器；FF雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；VD1、VD2與電阻組成充放電回路；Uf參考直流電壓;雙穩(wěn)態(tài)作輸出;電容Cx1、Cx2為傳感器差動電容。,-+,A1,-+,A2,R,s,Q,Q,FF,Q,低通濾波器,Uf,Uo,R1,VD1,R2,VD2,Cx1,Cx2,2020/7/3,16,電路分析：設接通電源時A高B低，R1對C1

8、充電C點上升到Uf，比較器A1輸出極性改變，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；A低B高，D1道通C1放電；同時B點經(jīng)C2充電使A2翻轉(zhuǎn)。,C1=C2，UC、UD放電時間相同，輸出平均電壓U0=0；C1C2，輸出平均電壓U00，若C1C2，輸出A、B兩點的平均值等于UA、UB之差。雙穩(wěn)態(tài)的兩個輸出端各產(chǎn)生一調(diào)制脈沖，脈沖寬度受C1、C2調(diào)制。輸出為兩端之差,低通輸出,2020/7/3,17,第三節(jié)電容式傳感器的應用,電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A和極間介電常數(shù)。固定其中兩個變量，電容量C就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參

9、數(shù)來達到非電量電測的目的。,2020/7/3,18,一、電容板材在線測厚儀,測量過程：電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化。帶材是電容的動極板，總電容Cx=C1+C2作為橋臂。利C1、C2兩個極板當帶材上下波動時Cx=C1+C2總的電容量不變；而帶材的厚度變化使電容Cx變化。,Cx=C1+C2,藍色為傳動、輥綠色為軋輥、黃色為帶材、紅色為測量極板,2020/7/3,19,二、硅微加工加速度傳感器,圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比

10、正比于加速度的PWM脈沖。,2020/7/3,20,1加速度測試單元2信號處理電路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）技術指標：靈敏度：500mV/g；量程：10g頻率范圍：0.5-2000Hz；安裝諧振點:8kHz；分辨力：0.00004g；重量：200g安裝螺紋：M5mm；線性誤差：1%,2020/7/3,21,1、測量過程利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。當它感受到上下振

11、動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應可達1kHz以上，允許加速度范圍可達10g以上。如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。,2020/7/3,22,2、加速度傳感器在汽車中的應用,加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車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

12、囊,2020/7/3,23,汽車氣囊的保護作用,使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。,2020/7/3,24,三、濕敏電容,1、測量過程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。當相對濕度增大時，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)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。,2020/7/3,25,2、濕敏電容模塊及傳感器外形,吸水高分子薄膜,2020/7/3,26,多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形,在野外的使用,帶報警器的家庭使用型,2020/7/3,27,四、電容式液位計,1、測量過程、棒狀電極

13、（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。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，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。,聚四氟乙烯外套,2020/7/3,28,2、液位限位傳感器的設定,智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。,設定按鈕,2020/7/3,29,智能化液位限位傳感器的設定按鈕,超限燈,正常工作指示燈,設定按鈕,電源指示燈,2020/7/3,3

14、0,3、電容式油料位計：用于水泥、化工、罐裝等傳感器靜電容：,檢測電極為電容的一個極，罐子的外殼為電容的另一個極。第一項是靜電容C0：,2020/7/3,31,電容式油量表,1、測量過程當油箱中無油時，電容傳感器的電容量Cx=Cx0，調(diào)節(jié)匹配電容使C0=Cx0，R4=R3；并使調(diào)零電位器RP的滑動臂位于0點，即RP的電阻值為0。此時，電橋滿足Cx/C0=R4/R3的平衡條件，電橋輸出為零，伺服電動機不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角=0。,2020/7/3,32,電容式油量表,當油箱中注滿油時，液位上升至h處，Cx=Cx0+Cx，而Cx與h成正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電動

15、機，再由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動RP的滑動臂移動，從而使RP阻值增大，Rcd=R3+RP也隨之增大。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為處。由于指針及可變電阻的滑動臂同時為伺服電動機所帶動，因此，RP的阻值與間存在著確定的對應關系，即正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位高度h，因此可直接從刻度盤上讀得液位高度h。當油箱中的油位降低時，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶動RP的滑動臂移動，使RP阻值減小。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動機再次停轉(zhuǎn)，指針停留在與該液

16、位相對應的轉(zhuǎn)角處。,2020/7/3,33,該油量表可用于飛機油箱,2、注意事項：油量表系統(tǒng)屬于閉環(huán)系統(tǒng)，注意郵箱傾斜時，油量表示數(shù)不準,2020/7/3,34,六、電容式接近開關,1、電容式接近開關結(jié)構(gòu)電容式接近開關的核心是以單個極板作為檢測端的電容器，檢測極板設置在接近開關的最前端。測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關殼體內(nèi)，并用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂充填、灌封。,x,C,U,Uo,LC振蕩電路,振蕩器,直流電壓放大器,被測物體,檢測極板,2020/7/3,35,工作原理,電容式接近開關的核心是以單個極板作為檢測端的電容器，檢測極板設置在接近開關的最前端。測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關殼體內(nèi)，并用介質(zhì)損

17、耗很小的環(huán)氧樹脂充填、灌封。被檢測物體可以是導電體、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)接近開關尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。對金屬物體而言，選用電渦流接近開關，也叫電感接近開關；測量絕緣物體時選用電容接近開關。,2020/7/3,36,2、電容式接近開關外形,齊平式,非齊平式,非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。,2020/7/3,37,3、電容接近開關的規(guī)格,2020/7/3,38,4、電容式接近開關在液位測量控制中的使用,2020/7/3,39,電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示,2020/7

18、/3,40,不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關動作距離的影響,結(jié)論：電容接近開關對絕緣物體作用明顯,2020/7/3,41,第四節(jié)壓力和流量的測量,一、壓力的基本概念,壓力的國際單位是牛頓，簡稱（N），在檢測領域，常將壓強的檢測叫做壓力檢測壓強的國際單位為“帕斯卡”，簡稱“帕”（Pa）。除此之外，工程界長期使用許多不同的壓力計量單位。如“工程大氣壓”、“標準大氣壓”、“毫米汞柱”，氣象學中還用“巴”（bar）和“托”為壓力單位。這些單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。,2020/7/3,42,壓力又分絕對壓力和相對壓力。相對壓力又分差壓和表壓。測量壓力的傳感器分為絕對壓力傳感器、差壓傳

19、感器、表壓傳感器。絕對壓力傳感器：它所測得的壓力數(shù)值是相對于密封在絕對壓力傳感器內(nèi)部的基準真空而言的。差壓傳感器：兩個壓力之差。表壓傳感器：它以環(huán)境大氣壓為參考基準，將差壓傳感器一側(cè)向大氣敞開，形成表壓傳感器。,2020/7/3,43,二、電容式差壓變送器1、外形,高壓側(cè)進氣口,低壓側(cè)進氣口,電子線路位置,內(nèi)部不銹鋼膜片的位置,2020/7/3,44,各種電容式差壓變送器外形,2020/7/3,45,各種電容式壓力變送器外形,（參考丹東長隆自控有限公司資料）,2020/7/3,46,2、電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu),1高壓側(cè)進氣口2低壓側(cè)進氣口3過濾片4空腔5柔性不銹鋼波紋隔離膜片6導壓硅油7凹形

20、玻璃圓片8鍍金凹形電極9彈性平膜片10腔,2020/7/3,47,2020/7/3,48,3、工作過程：當兩室分別承受低壓（PL）和高壓（PH）時，硅油能將壓差傳遞到測量膜片，當PH=PL時，膜片處于中間位置，C1=C2；當有差壓作用時，測量膜片產(chǎn)生形變：PHPL時，膜片PL向彎曲，C1C2；將這種電容變化通過電路轉(zhuǎn)換為電壓變化,2020/7/3,49,電容差壓變送器用于測量液體的液位,投入式水位計,2020/7/3,50,四、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：設測得流速v=10m/s，圓管道的直徑r=1m，則截面積A

21、=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。,2020/7/3,51,節(jié)流式流量計及電容差壓變送器在流量測量中的應用,測量流量的方法很多，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、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。按照國家標準制造的標準節(jié)流裝置的流量系數(shù)計算公式是相當完備的，所以它是一種可靠性和標準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。,2020/7/3,52,葉輪式風流速流量計（參考北京北方大河儀器儀表有限公司資料）,2020/7/3,53,玻璃轉(zhuǎn)子流量計,流體入口,流體出口,轉(zhuǎn)子,2020/7/3,54,差壓節(jié)流式流量計,所謂節(jié)流裝置，就是在管道中段設置一個流通面積比管道狹