传感器--5电容传感器 ppt课件

1、第五章第五章 电容传感器电容传感器 本章学习电容传感器的原理及运用，本章学习电容传感器的原理及运用，还涉及压力、液位及流量的丈量方法。还涉及压力、液位及流量的丈量方法。第一节第一节 电容式传感器的任务原理电容式传感器的任务原理及构造方式及构造方式 上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？几种类型的电容传感器？ 0 rAACdd 电容传感器的根本理想公式为电容传感器的根本理想公式为第一节第一节 电容式传感器的任务原理电容式传感器的任务原理及构造方式及构造方式 改动改动A、d、 三个参量中的恣意一个量，均可三个参量中的恣意一个量，均可使平板电容

2、的电容量使平板电容的电容量C 改动。改动。 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 一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a a是平板形直线位移式构造，其中极板是平板形直线位移式构造，其中极板1 1可以左右挪动，可以左右挪动，称为动极板。极板称为动极板。极板2 2固定不动，称为定极板。图固定不动，称为定极板。图b b是同心圆筒形是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图线运动。图c c是一个角位移式的构造。极板是

3、一个角位移式的构造。极板2 2的轴由被测物体带的轴由被测物体带动而旋转一个角位移动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A 就减小，就减小，因此电容量也随之减小。因此电容量也随之减小。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线性的，灵变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、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。角位移、尺寸等参量。 请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！二、变极距式电容传感器二、变极距式电容传感器 当

4、动极板受被测物体作用引起位移时，改动当动极板受被测物体作用引起位移时，改动了两极板之间的间隔了两极板之间的间隔d，从而使电容量发生变化。，从而使电容量发生变化。 实践运用时，总是使初始极距实践运用时，总是使初始极距d0尽尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺陷。极距式电容器的行程较小的缺陷。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d0d0小小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0d0较较小时

5、，它的丈量范围变大还是变小？小时，它的丈量范围变大还是变小？ a 构造表示图构造表示图 b电容量与极板间隔的关系电容量与极板间隔的关系1定极板定极板 2动极板动极板 三、变介电常数式三、变介电常数式 由于各种介质的相对介电常数不同，所以在电由于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，电容器的电容量也容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。就不同。几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 根据上表，分析不同介质对变介电常根据上表，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数电容器的影响

6、。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量变大？可用于丈量什么非电量？容量变大？可用于丈量什么非电量？第二节第二节 电容式传感器的丈量转换电路电容式传感器的丈量转换电路 调频电路调频电路 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器任务时，电容回路的一部分，当电容传感器任务时，电容Cx 发发生变化，就使振荡器的频率生变化，就使振荡器的频率 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？有

7、何区别？式中哪些量是变量？01 5-22fL C调频调频FM电路电路TTL电平的高电平和低电平电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？电压范围分别是多少伏？ 第三节第三节 电容式传感器的运用电容式传感器的运用 电容器的容量受三个要素影响，即：电容器的容量受三个要素影响，即：极距极距x、相对面积、相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固。固定其中两个变定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变就是另一个变量的一元函数。只需想方法将被测非电量转量的一元函数。只需想方法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以经过丈量电容量这个电参数

8、来到达非电量以经过丈量电容量这个电参数来到达非电量电测的目的。电测的目的。 一、电容式液位计一、电容式液位计 棒状电极金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。 图图56b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液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平

9、。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法非常简单：定方法非常简单： 用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位到达设定值时，放开当液位到达设定值时，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。正常运用时，当水位高定。正常运用时，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任务正常任务指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯二、硅

10、微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工图示加速度传感器以微细加工技术为根底，既能丈量交变加速度技术为根底，既能丈量交变加速度振动，也可丈量惯性力或重力振动，也可丈量惯性力或重力加速度。其任务电压为加速度。其任务电压为2.72.75.25V5.25V，加速度丈量范围为数个加速度丈量范围为数个g g，可输出，可输出与加速度成正比的电压也可输出占与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM PWM 脉冲。脉冲。微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术目的：技术目的： 灵敏度：灵敏度：500mV/g 500mV/g ， 量程：量程：1

11、0g10g， 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz0.5-2000Hz，安装谐振点安装谐振点:8kHz :8kHz ， 分辨力：分辨力：0.00004g 0.00004g ， 分量：分量：200g 200g ， 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm M5 mm ， 线性误差：线性误差：1% 1% 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加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处置电路信号处置电路 3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅底层多晶硅 下电极下电极 5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅顶层多晶硅 上电极上电极 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成利用微电子加

12、工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结多层结 构，制造出三层多晶硅极板，组成差动电容构，制造出三层多晶硅极板，组成差动电容C1、C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。所以相当于悬臂梁。 当它感遭到上下振动时，当它感遭到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处置电路将加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处置电路将C 转换成直流输出电压。它的鼓励源也做在同一壳体转换成直流输出电压。它

13、的鼓励源也做在同一壳体内。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所内。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率呼应可达以频率呼应可达1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达50g 以以上。上。 假设在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速假设在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以丈量三维方向的振动或加速度。度传感器，就可以丈量三维方向的振动或加速度。加速度传感器在汽车中的运用加速度传感器在汽车中的运用 当测得的负加速度值超越设定值时，当测得的负加速度值超越设定值时， 微微处置器据此判别发生了碰处置器据此判别发生了碰 撞，于是就启动轿撞，于是就启动轿车

14、前部的折叠式平安气囊迅速充气而膨胀，托车前部的折叠式平安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。住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊汽车气囊的维护作用汽车气囊的维护作用 运用加速度传感器可以在汽车发生碰运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撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。 汽车气囊对驾驶员的维护作用汽车气囊对驾驶员的维护作用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三、湿敏电容三、湿敏电容 利器具有很大吸湿性的绝缘资料作为电容传感利器具有很大吸湿性的绝缘

15、资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添加水的相对介电极之间的介质相对介电常数大为添加水的相对介电常数为常数为80，所以电容量增大。，所以电容量增大。 湿敏电容外形湿敏电容外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜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运用湿敏电容传感器的安装运用在野外的运用在野外的运用带报警器的家庭运用型带报警器的家庭运用型多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形多孔性氧化铝湿敏

16、电容传感器外形 四、电容式油量表四、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表： 在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，经过杠里的浮球，经过杠杆带动电阻丝式圆杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。电容式油量表电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转示值减小，失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转示值减小，同时带动同时

17、带动RP的滑动臂挪动。当的滑动臂挪动。当RP阻值到达一定值时，电桥又阻值到达一定值时，电桥又到达新的平衡形状，伺服电动机停转，指针停留在新的位置到达新的平衡形状，伺服电动机停转，指针停留在新的位置 x 处。处。 该油量该油量表属于开环表属于开环系统还是闭系统还是闭环系统？环系统？ 上页所示的油量表在倾斜形状时可上页所示的油量表在倾斜形状时可以运用吗？为什么？以运用吗？为什么？ 该油量该油量表可用于表可用于飞机油箱飞机油箱五、电容式接近开关五、电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体例如饲料、较大的绝缘体、含水的物体例如饲料、人体等

18、人体等 ；可以是接地的，也可以是不接；可以是接地的，也可以是不接地的。地的。 调理接近开关尾部的灵敏度调理电调理接近开关尾部的灵敏度调理电位器，可以根据被测物不同来改动动作间位器，可以根据被测物不同来改动动作间隔。隔。 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接近开关的安装非齐平式接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。装支架，易损坏。全密封防水式全密封防水式远间隔式大量程远间隔式大量程电容接近开关的规格电容接近开关的规格电容式接近开关在液位丈量控制中的运用电容式接近开关在液位丈量控制中的运用电容式接近开关电容式接

19、近开关在在液位物位丈量液位物位丈量控制中的运用控制中的运用对应的光柱显示 电容式接近开关在物位丈量控制中的运用电容式接近开关在物位丈量控制中的运用电容式接近开关在物位丈量控制中的电容式接近开关在物位丈量控制中的运用演示运用演示不同资料的非金属检测物对电容式接不同资料的非金属检测物对电容式接近开关动作间隔的影响近开关动作间隔的影响第四节第四节 压力和流量的丈量压力和流量的丈量 一、压力的根本概念一、压力的根本概念 压力的国际单位为压力的国际单位为“帕斯卡，简称帕斯卡，简称“帕帕Pa。 除此之外，工程界长期运用许多不同的除此之外，工程界长期运用许多不同的压力计量单位。如压力计量单位。如“工程大气压

20、、工程大气压、“规范大规范大气压、气压、“毫米汞柱，气候学中还用毫米汞柱，气候学中还用“巴巴bar和和“托为压力单位。这些单位在一托为压力单位。这些单位在一些进口仪表阐明书上能够还会见到。些进口仪表阐明书上能够还会见到。 压力单位转换对照表压力单位转换对照表 二、电容式差压变送器二、电容式差压变送器 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子电子线路线路位置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构造电容式差压变送器内部构造 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

21、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片 10 10 腔腔各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 各种电容式压力变送器外形续各种电容式压力变送器外形续 参考丹东长参考丹东长隆隆 自控自控 资料资料法兰法兰各种电容式压力变送器外形续各种电容式压力变送器外形续 三、利用电容差压变送器三、利用电容差压变送器丈量液体的液位丈量液体的液位 差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：的压力与液位成正比： p = g h电容差压变送器用于丈量电容差压变送器用于丈量液体的液

22、位液体的液位 投入式水位计投入式水位计四、流量的根本概念四、流量的根本概念 体积流量体积流量qV=Av，单位为，单位为m3/h或或L/s； 质量流量质量流量qm=Av，单位为，单位为t /h或或kg/s。 例：设测得流速例：设测得流速v =10m/s ，圆管道，圆管道的直径的直径r =1m，那么截面积，那么截面积A=0.79m2 ，流量，流量qV= 7.9m3 /s 。五、节流式流量计及电容差压变送器在五、节流式流量计及电容差压变送器在流量丈量中的运用流量丈量中的运用 丈量流量的方法很多，有流速法、容积法、丈量流量的方法很多，有流速法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡质量法、

23、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式又称涡街式、热线式、多轮式、卡门涡流式又称涡街式、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照国家规范制造的规范节流安装的流量系数计算公国家规范制造的规范节流安装的流量系数计算公式是相当完备的，所以它是一种可靠性和规范化式是相当完备的，所以它是一种可靠性和规范化较高的流量传感器，所以在工业中大量运用差压较高的流量传感器，所以在工业中大量运用差压式流量计。式流量计。 叶轮式风叶轮式风流速、流量计流速、流量计 参考北京北参考北京北方大河仪器仪方大河仪器仪表资料表资料玻璃转子玻璃转子流量计流量计流体入口流体入口流体出口流体出口转子转子差压节流式流量计差压节流式流量计 所谓节流安装，就是在管道中段设置一个所谓节流安装，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，使流体经过该节流安装时，流束部分收缩，流使流体经过该节流安装时，流束部分收缩，流速提高，压强减小。速提高，压强减小。 节流式流量计的缺陷是流体经过节流安装节流式流量计的缺陷是流体经过节流安装后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的