传感器课件-5电容传感器

第 五 章 电 容 传 感 器 本 章 学 习 电 容 传 感 器 的 原 理 及 应 用 ，还 涉 及 压 力 、 液 位 及 流 量 的 测 量 方 法 。 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 ？ 0 r AAC d d 电 容 传 感 器 的 基 本 理 想 公 式 为 第 一 节 电 容 式 传 感 器 的 工 作 原 理及 结 构 形 式 改 变 A、 d、 三 个 参 量 中 的 任 意 一 个 量 ， 均 可 使平 板 电 容 的 电 容 量 C 改 变 。 固 定 三 个 参 量 中 的 两 个 ， 可 以 做 成 三 种 类 型 的 电容 传 感 器 。 0 r AAC d d 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 。 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 。 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 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 。 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 d 0小些 还 是 大 些 ？ 当 变 极 距 式 电 容 传 感 器 的 初 始 极 距 d0较小 时 ， 它 的 测 量 范 围 变 大 还 是 变 小 ？ 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 2021-5-14 8 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 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 ？ 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 。 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 ？ 01 5-22f L C 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 ？ 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 x、 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 。 一 、 电 容 式 液 位 计 棒 状 电 极 （ 金 属 管 ） 外面 包 裹 聚 四 氟 乙 烯 套 管 ， 当被 测 液 体 的 液 面 上 升 时 ， 引起 棒 状 电 极 与 导 电 液 体 之 间的 电 容 变 大 。 图 5 6b聚 四 氟 乙 烯 外 套 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 。 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 2021-5-14 16 智 能 化 液 位 限 位 传 感 器 的 设 定 按 钮 超 限 灯正 常 工 作指 示 灯设 定 按 钮电 源 指 示 灯 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 。 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 ： 0.5-2000H z，安 装 谐 振 点 :8kH z ， 分 辨 力 ： 0.00004g ， 重 量 ： 200g ， 安 装 螺 纹 ： M5 mm ， 线 性 误 差 ： 1% 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 ） 利 用 微 电 子 加 工 技 术 ， 可 以 将 一 块 多 晶 硅 加 工 成多 层 结 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 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 。 当 它 感 受 到 上 下 振 动 时 ， C1、 C2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 理 电 路 将 C 转 换 成 直 流 输 出 电 压 。 它 的 激 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 以 频率 响 应 可 达 1kHz以 上 ， 允 许 加 速 度 范 围 可 达 50g 以 上 。 如 果 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 测 量 三 维 方 向 的 振 动 或 加 速 度 。 加 速 度 传 感 器 在 汽 车 中 的 应 用 当 测 得 的 负 加 速 度 值 超 过 设 定 值 时 ， 微处 理 器 据 此 判 断 发 生 了 碰 撞 ， 于 是 就 启 动 轿车 前 部 的 折 叠 式 安 全 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 。 装 有 传 感器 的 假 人气 囊 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 。 2021-5-14 23 汽 车 气 囊 对 驾 驶 员 的 保 护 作 用 2021-5-14 24 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 三 、 湿 敏 电 容 利 用 具 有 很 大 吸 湿 性 的 绝 缘 材 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 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 增 加 （ 水 的 相 对 介 电 常 数 为 80） ， 所 以 电容 量 增 大 。 2021-5-14 26 湿 敏 电 容 外 形吸 水 高 分 子 薄 膜 2021-5-14 27 湿 敏 电 容 模 块 及 传 感 器 外 形 2021-5-14 28 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 2021-5-14 29 多 孔 性 氧 化 铝 湿 敏 电 容 传 感 器 外 形 2021-5-14 30 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 。 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 ？ 2021-5-14 32 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 五 、 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 。 2021-5-14 34 电 容 式 接 近 开 关 外 形齐 平 式 非 齐 平 式 非 齐 平 式 接 近 开 关 的 安 装 非 齐 平 式 安 装 时 ， 传 感 器 高 于 安装 支 架 ， 易 损 坏 。 全 密 封 防 水 式远 距 离 式 （ 大 量 程 ） 2021-5-14 37 电 容 接 近 开 关 的 规 格 2021-5-14 38 电 容 式 接 近 开 关 在 液 位 测 量 控 制 中 的 使 用 2021-5-14 39 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 2021-5-14 40 电 容 式 接 近 开 关 在 物 位 测 量 控 制 中 的 使 用 2021-5-14 41 电 容 式 接 近 开 关 在 物 位 测 量 控 制 中 的使 用 演 示 2021-5-14 42 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 第 四 节 压 力 和 流 量 的 测 量 一 、 压 力 的 基 本 概 念 压 力 的 国 际 单 位 为 “ 帕 斯 卡 ” ， 简 称“ 帕 ” （ Pa） 。 除 此 之 外 ， 工 程 界 长 期 使 用 许 多 不 同 的压 力 计 量 单 位 。 如 “ 工 程 大 气 压 ” 、 “ 标 准大 气 压 ” 、 “ 毫 米 汞 柱 ” ， 气 象 学 中 还 用“ 巴 ” （ bar） 和 “ 托 ” 为 压 力 单 位 。 这 些单 位 在 一 些 进 口 仪 表 说 明 书 上 可 能 还 会 见 到 。 2021-5-14 44 压 力 单 位 转 换 对 照 表 二 、 电 容 式 差 压 变 送 器 高 压 侧进 气 口 低 压 侧进 气 口电 子线 路位 置 内 部 不 锈 钢 膜 片 的 位 置 电 容 式 差 压 变 送 器 内 部 结 构 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 9弹 性 平 膜 片 10 腔 2021-5-14 47 各 种 电 容 式 差压 变 送 器 外 形 2021-5-14 48 各 种 电 容 式 压 力 变 送 器 外 形 （ 续 ） （ 参 考 丹 东 长隆 自 控 有 限 公司 资 料 ） 法 兰 2021-5-14 49 各 种 电 容 式 压 力 变 送 器 外 形 （ 续 ） 2021-5-14 50 三 、 利 用 电 容 差 压 变 送 器测 量 液 体 的 液 位 差 压 变 送 器施 加 在 高 压 侧 腔 体 内的 压 力 与 液 位 成 正 比 ： p = g h 2021-5-14 51 电 容 差 压 变 送 器 用 于 测 量液 体 的 液 位 投 入 式 水 位 计 四 、 流 量 的 基 本 概 念 体 积 流 量 qV=Av， 单 位 为 m3/h或 L/s； 质 量 流 量 qm =Av， 单 位 为 t /h或 kg/s。 例 ： 设 测 得 流 速 v =10m/s ， 圆 管 道的 直 径 r =1m， 则 截 面 积 A=0.79m2 ，流 量 qV= 7.9m3 /s 。 五 、 节 流 式 流 量 计 及 电 容 差 压 变 送 器 在流 量 测 量 中 的 应 用 测 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 照国 家 标 准 制 造 的 标 准 节 流 装 置 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 标 准 化较 高 的 流 量 传 感 器 ， 所 以 在 工 业 中 大 量 使 用 差 压式 流 量 计 。 2021-5-14 54 叶 轮 式 风流 速 、 流 量 计 （ 参 考 北 京 北 方 大 河 仪 器 仪 表有 限 公 司 资 料 ） 2021-5-14 55 玻 璃 转 子流 量 计 流 体 入 口流 体 出 口转 子 差 压 节 流 式 流 量 计 所 谓 节 流 装 置 ， 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 ，使 流 体 经 过 该 节 流 装 置 时 ， 流 束 局 部 收 缩 ， 流速 提 高 ， 压 强 减 小 。 节 流 式 流 量 计 的 缺 点 是 流 体 通 过 节 流 装 置后 ， 会 产 生 不 可 逆 的 压 力 损 失 。 另 外 ， 当 流 体的 温 度 t 、 压 力 p1变 化 时 ， 流 体 的 密 度 将 随 之 改变 。 所 以 必 须 进 行 温 度 、 压 力 修 正 。 节 流 装 置（ 取 压 管 及内 部 的 节 流孔 板 ）节 流 孔 板 后 取 压 管 前 取 压 管 流 体 通 过 节流 孔 板 时 ，流 速 加 快 ，后 取 压 管 处的 压 力 减 小 。 2021-5-14 58 节 流 装 置 外 形节 流 孔 板 后 取 压 管 2021-5-14 59 流 体 流 经 节 流 孔 板 时 ，压 力 和 流 速 的 变 化 情 况 节 流 孔 板 流 速 变 快 ，压 力 变 小 2021-5-14 60 节 流 装 置 的 另 一 种 形 式 文 丘 里 管或 文 丘 里 喷 嘴 文 丘 里 喷 嘴 的 压 力 损 失 较 小 。流 体 入 口 狭 窄 部 位 文 丘 里 喷 嘴 原 理 示 意 图 文 丘 里 喷 嘴 结 构 图文 丘 里 喷 嘴 在管 道 中 的 位 置前 取 压 口 后 取 压 口 导 压 管 的 配 置 从 取 压 孔 到 差 压 变 送 器 的 导 压 管 的 配置 应 按 照 规 定 的 标 准 安 装 。 如 果 被 测 流 体是 气 体 ， 导 压 管 应 从 节 流 装 置 的 上 方 引 出 ，以 免 混 杂 在 气 体 中 的 液 滴 堵 住 取 压 管 ； 如果 被 测 流 体 是 液 体 ， 导 压 管 应 从 节 流 装 置的 下 方 引 出 ， 以 免 混 杂 在 液 体 中 的 气 体 影响 取 压 。 2021-5-14 63 导 压 管 配 置 图 2021-5-14 64 节 流 式 流 量 计 外 形 上 海 肯 特 智 能 有 限 公 司 卡 门 涡 街 流 量 计 演 示 气 体 或 液 体 管 道及 涡 流 发 生 锥 体 另一种新型流速式流量计 2021-5-14 66 休息一下