检测技术与智能仪表设计第二专题-2课件

在这一章里，要给大家介绍电容传感器的基本原理、特性和应用，也集中讲一讲在工业领域应用较多的压力、液位和流量测量。在测量中，被测物理量通过电容传感器转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压或频率。电容传感器的最大特点是反应快。第四章电容传感器2/6/20231电容传感器原理动画我们先来做一个实验。打开一只老式收音机后盖，可以看到一只“可变电容器”。增加该电容器“动片”的旋出角度，收音机的谐振频率就逐渐升高，所接收到的电台频率也逐渐升高。结论：这个电容器的电容量与两个半圆的有效投影面积成正比。2/6/20232第一节电容式传感器的工作原理及结构形式上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？

电容传感器的基本理想公式为2/6/20233一、变面积式电容传感器图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b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、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移

度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。2/6/20235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。

2/6/20236二、变极距式电容传感器

当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。

实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，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点。2/6/20237差动式电容传感器

a）差动变极距式b）差动变面积式1－动极板2－定极板差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算机来计算修正。2/6/20239三、变介电常数式

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。几种介质的相对介电常数2/6/202310变介电常数式电容传感器的用途思考

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？2/6/202311第二节电容式传感器的测量转换电路

（调频电路）调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f

产生相应的变化。

2/6/202313调频（FM）电路TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？

2/6/202314第三节电容式传感器的应用电容器的容量受三个因素影响，即：极距d、相对面积A和极间介电常数

。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。

2/6/2023152/6/202317电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。2/6/202318液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮2/6/202319二、硅微加工加速度传感器

图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。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。2/6/202321微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%2/6/202322硅微加工加速度传感器原理

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）2/6/202323汽车气囊的保护作用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。2/6/202325汽车气囊对驾驶员的保护作用2/6/202326利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置2/6/202327湿敏电容外形吸水高分子薄膜2/6/202329湿敏电容模块及传感器外形2/6/202330湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型2/6/202331多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形

2/6/202332四、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。2/6/202333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m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（示值减小），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（

x处）。该油量表属于开环系统还是闭环系统？2/6/202334上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？

该油量表可用于飞机油箱2/6/202335三、电容式接近开关

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、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。2/6/202336电容式接近开关外形齐平式非齐平式2/6/202337非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器端部高于安装支架，易损坏。2/6/202338全密封防水式远距离式（大量程）2/6/202339电容接近开关的规格2/6/202340电容式接近开关在液位测量控制中的使用2/6/202341电容式接近开关在

液位物位测量

控制中的使用对应的光柱显示2/6/202342电容式接近开关在物位测量控制中的使用2/6/202343电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示2/6/202344不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响2/6/2023453）在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中________。A.电容和电感均为变量B.电容是变量，电感保持不变C.电容保持常数，电感为变量D.电容和电感均保持不变4）利用湿敏电容可以测量________。A.空气的绝对湿度B.空气的相对湿度C.空气的温度D.纸张的含水量5）电容式接近开关对________的灵敏度最高。A.玻璃B.塑料C.纸D.鸡饲料2/6/2023461－储液罐2－液面3－玻璃连通器4－钢质直角接头5－不锈钢圆环6－101段LED光柱

．利用分段电容传感器测量液位的光柱显示编码式液位计原理示意图如图所示。玻璃连通器3的外圆壁上等间隔地套着n个不锈钢圆环，显示器采用101线LED光柱（第一线常亮，作为电源指示）2/6/2023471）该方法采用了电容传感器中变极距、变面积、变介电常数三种原理中的哪一种？2）被测液体应该是导电液体还是绝缘体？3）分别写出该液位计的分辨率（%）及分辨力（几分之一米）的计算公式，并说明如何提高此类液位计的分辨率。4）设当液体上升到第个N不锈钢圆环的高度时，101线LED光柱全亮。若N=32，则当液体上升到第八个不锈钢圆环的高度时