《传感器技术及应用》课件-项目四 电容式传感器

开封大学PAGEPAGE1项目四电容式传感器课题：电容式传感器的原理及应用课时安排：2课次编号：8教材分析难点：流量的测量重点：电容传感器的应用教学目的和要求1、了解电容传感器的工作原理；2、掌握电容传感器的应用；3、了解电容接近开关的原理及应用；4、了解流量的测量方法。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种电容传感器各教学环节和内容演示：做以下的实验：将两片直径为30mm的圆形铜片相互接近，用万用表的电容1000pF量程，测量两者之间的电容量。可以看到：随着两者的靠近，电容量从0pF，逐渐增大。在短路之前，大约可增大到30pF。请学生在两者之间逐渐插入塑料薄膜，可以观察到：电容量逐渐增大，到40pF左右。保持两者的距离，将这两片铜片向水平方向分开，可以看到：万用表所指示的电容量逐渐减小。从以上演示，引入第一节的电容传感器工作原理。任务一电容传感器的工作原理及结构形式平板电容器的电容量为(4-1)分析式（4-1）得出结论：在A、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，电容量C是A、d、ε的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。一、变面积式动极板1可以左右移动，称为动极板；极板2固定不动称为定极板。根据式（5－1）可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。二、变极距式变极距式电容传感器结构如图4-3所示。图中1为定极板，2为动极板。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。请学生分析图5－3，可以得到3个以上的结论：1、初始极距小，灵敏度高。2、非线性（缺点）；3、行程较小（两块极板短路）。图4-3变极距式电容传感器a）结构示意图b）电容量与极板距离的关系1－定极板2－动极板3－弹性膜片差动电容传感器：从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差动电容传感器的好处：1、优点：提高传感器的灵敏度，减小非线性。2、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图4-4差动电容传感器结构示意图a）差动变极距式b）差动变面积式1－动极板2－定极板三、变介电常数式表4-1几种介质的相对介电常数介质名称相对介电常数εr介质名称相对介电常数εr真空1玻璃釉3~5空气略大于1SiO238其他气体1~1.2①云母5~8变压器油2~4干的纸2~4硅油2~3.5干的谷物3~5聚丙烯2~2.2环氧树脂3~10聚苯乙烯2.4~2.6高频陶瓷10~160聚四氟乙烯2.0低频陶瓷、压电陶瓷1000~10000聚偏二氟乙烯3~5纯净的水80图4-5变介电常数式电容传感器分析表4-1和图4-5，得出结论：变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ越厚，电容量也就越大。提问：湿的纸的电容量如何变化？当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（εr水>>1）时，电容量将变大。当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变大。任务二电容传感器的测量转换电路调频电路（4-2）请学生将上式以及图4-8（调频电路框图）与图4－5比较。结论：式（5－2）和图4-8中，L0为常数；C为变量，其他基本相同。分析上图中的各个方框的功能。任务三电容传感器的应用图4-5所示的简单结构就可以用于测量纸张含水量、塑料薄膜的厚度等。而图4-2b所示的传感器就可以用于测量工件的尺寸，图4-2c可以用于测量机械臂的角位移。可以利用极距变化的原理，测量振动、压力；利用相对面积变化的原理，可以精确地测量角位移和直线位移，构成电子千分尺；利用介电常数变化的原理，可以测量空气相对湿度、液位、物位等。分析：电容加速度传感器、湿敏电容。一、电容式油量表1、当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx=Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使调零电位器RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0。此时，电桥满足Cx/C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。1－油箱2－圆柱形电容器3－伺服电动机4－减速箱5－油量表2、当油箱中注满油时，液位上升至h处，Cx=Cx0+Cx，而Cx与h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动，从而使RP阻值增大，Rcd=R3+RP也随之增大。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。3、由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与θ间存在着确定的对应关系，即θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位高度h，因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。4、当油箱中的油位降低时，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，使RP阻值减小。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角θ处。5、从以上分析得到涉及“闭环控制”的结论：放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。二、压力、液位和流量的测量1、电容式差压变送器举例差动电容式差压变送器结构的核心部分是一个变极距差动式电容传感器。图4-15差动电容式差压变送器结构示意图a）结构b）外观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（定极板）9－弹性平膜片10－δ腔11－铝合金外壳12－限位波纹盘13－过压保护悬浮波纹膜片14公共参考端（地电位）15－螺纹压力接头16－测量转换电路及显示器铝合金盒17－信号电缆分析测量过程：当被测压力p1、p2由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔，该压力通过不锈钢波纹隔离膜和导压硅油，传导到“δ腔”。弹性平膜片由于受到来自两侧的压力之差，而凸向压力小的一侧。在δ腔中，弹性膜片与两侧的镀金定极之间的距离很小（约0.5mm左右），所以微小的位移（不大于0.1mm）就可以使电容量变化100pF以上。测量转换电路（相敏检波器）将此电容量的变化转换成4～20mA的标准电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪表。课外学习指导安排每周四下午7、8节答疑课堂补充作业1、某两线制变送器的负载电阻将电流信号转换为电压信