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1、2022-5-261机械工业出版社机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术自动检测与转换技术第五章第五章多媒体课件200951 更新2022-5-262在这一章里，卡卡要给大家介绍电容传感器的基在这一章里，卡卡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。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。容量的变化，再经测量转换电路转换为电压或
2、频率。电容传感器的最大特点是反应快。电容传感器的最大特点是反应快。第五章第五章 电容传感器电容传感器第五章电容传感器原理动画第五章电容传感器原理动画我们先来做一个实验。我们先来做一个实验。打开一只老式收音机后打开一只老式收音机后盖，可以看到一只盖，可以看到一只“可变电容器可变电容器”。增加该电容。增加该电容器器“动片动片”的旋出角度，收音机的谐振频率就逐的旋出角度，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。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几班的有效结论：这个电容器的电容量与两个几班的有效投影面积成正比。投影面积成正比。第一节第一节 电容式传感
3、器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式 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 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式 改变改变A A、d d、 三个参量中的任意一个量，均可使三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量平板电容的电容量C C 改变。改变。 固定三个参量中的两个，可以做成固定三个参量中的两个，可以做成三种类型三种类型的电的电容传感器。容传感器。 0 rAACdd 从电工知识可
4、知，电容传感器的电容量从电工知识可知，电容传感器的电容量C与两极板与两极板相互遮盖的有效面积相互遮盖的有效面积A以及两极板之间的介质相对介以及两极板之间的介质相对介电常数电常数r成正比，与两极板间的距离成正比，与两极板间的距离d（常称为极距）（常称为极距）成反比。成反比。回回 顾顾 一一 下下一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a是是平板形直线位移式结构平板形直线位移式结构，其中极板，其中极板1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图固定不动，称为定极板。图b b是是同心圆筒形同心圆筒形变面积式传感器变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒
5、在外圆筒内作上、下直。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是一个是一个角位移式的结构角位移式的结构。极板。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，因就减小，因而电容量也随之减小。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特性 变面积式电容传感器的输出特性是变面积式电容传感器的输出特性是线性的线性的，灵敏度是常数。这一类传感器，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。参量。 请画出变面积式
6、电容传感器的输出请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！特性曲线！二、变极距式电容传感器二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，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改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量，从而使电容量发生变化。发生变化。 实际使用时，总是使实际使用时，总是使初始极距初始极距d0尽量尽量小些小些，以，以提高灵敏度提高灵敏度，但这也带来了变极，但这也带来了变极距式电容器的距式电容器的行程较小的缺点行程较小的缺点。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 a） 结构示意图结构示意图 b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离
7、的关系1定极板定极板 2动极板动极板 观察图观察图5-4b所示的变极距式电容传感器特性曲线，所示的变极距式电容传感器特性曲线，变极距式电容传感器的特性是什么曲线？当初始安装变极距式电容传感器的特性是什么曲线？当初始安装距离距离d0较小时所引起的电容变化量较小时所引起的电容变化量C1，与，与d0较大时较大时的的C2比较，灵敏度哪个高？对行程有何影响？比较，灵敏度哪个高？对行程有何影响？差动式电容传感器差动式电容传感器 在第四章里，卡卡给大家介绍过差动电感的特性在第四章里，卡卡给大家介绍过差动电感的特性及优点，大家还记得吗？及优点，大家还记得吗？回回 顾顾 一一 下下a a）差动变极距式）差动变极
8、距式 b b）差动变面积式）差动变面积式 1 1动极板动极板 2 2定极板定极板差动电容传感器的灵敏度提差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、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。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进一步用计算机来计算修正 。三、变介电常数式三、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，电容器的电容量也容器两极板间插入不同介质时，电容器
9、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思考变介电常数式电容传感器的用途思考 根据上根据上表，分析表，分析不同介质对变介电常不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间数电容器的影响。在电容器两极板间插入插入干的纸和潮湿的纸干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的时，哪一种情况下的电电容量变大容量变大？可用于测量什么非电量可用于测量什么非电量？第二节第二节 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 （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 LC 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电
10、容传感器工作时，电容回路的一部分，当电容传感器工作时，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？式中有何区别？式中哪些量是变量哪些量是变量？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 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：电容器的容量受三个因素影响，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
11、数 。固定。固定其中两个变其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变量就是另一个变量的一元函数。只要想办法的一元函数。只要想办法将被测非电量转换将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化成极距或者面积、介电常数的变化，就可以，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的测的目的。 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。 聚四氟乙烯外套聚四
12、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。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十分简单：定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，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。正常使用时，当水位高
13、定。正常使用时，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工作正常工作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图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作惯性力或重力加速度。其工作电压为电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测，加速度测量范围为数个量范围为数个g g，
14、可输出与加，可输出与加速度成正比的电压也可输出占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 脉脉冲。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指标：技术指标： 灵敏度：灵敏度：500mV/g ， 量程：量程：10g， 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点安装谐振点:8kHz ， 分辨力：分辨力：0.00004g ， 重量：重量：200g ， 安装螺纹：安装螺纹：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信号处理电路信号处理电路 3 3衬底衬底 4
15、 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）加速度传感器在汽车中的应用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，当测得的负加速度值超过设定值时， 微微处理器处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿撞，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。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器的假人人气囊气囊汽车气囊的保护作用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使用加速度传感器
16、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保护作用汽车气囊对驾驶员的保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 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为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。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
17、常数为大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 湿敏电容湿敏电容外形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使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使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，通过杠里的浮球，通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
18、。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，电桥失减小，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），同时带动时带动RP的滑动臂移动。当的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达阻值达到一定值时，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（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）。处）。 该油量该油量表属于开环表属于
19、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状态时可上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？以使用吗？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三、电容式接近开关三、电容式接近开关 被检测物体可以是被检测物体可以是导电体、介质损耗较导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等等） ；可以是接地的，也可以是不接地的可以是接地的，也可以是不接地的。 调节接近开关尾部的调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器，可，可以根据被测物不同来以根据被测物不同来改变动作距离改变动作距离。 在第四章里，曾介绍过
20、在第四章里，曾介绍过“电感式接近开关电感式接近开关”，它能判断金属物体靠近与否。它能判断金属物体靠近与否。回回 顾顾 一一 下下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非齐平式接近开关的安装接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器端部高非齐平式安装时，传感器端部高于安装支架，易损坏。于安装支架，易损坏。全密封防水全密封防水式式远距离式（大量程）远距离式（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测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关电容式接近开关在在液位物位测量液位物位测量控制中的使用控制中的使用对应的光柱显示 电
21、容式接近开关在物位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示使用演示不同材料的非金属检测物对电容式接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近开关动作距离的影响第四节第四节 压力和流量的测量压力和流量的测量 一、压力的基本概念一、压力的基本概念 压力的国际单位为压力的国际单位为“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”（Pa）。）。 除此之外，工程界长期使用许多不同的除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如压力计量单位。如“工程大气压工程大气压”、“标准标准大气压大气压”、“毫米汞柱毫米汞柱”，气
22、象学中还用，气象学中还用“巴巴”（bar）和）和“托托”为压力单位。这些为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。 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结构电容式差压变送器内部结构 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 纹隔离膜片纹隔离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7 凹
23、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 1010 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（参考丹东长丹东长隆隆 自控有限公自控有限公司司 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测量液体的液位测量液体的液位 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测量电容差压变送器用于测量液体的液位液体的液位
24、投入式水位计投入式水位计四、流量的基本概念四、流量的基本概念 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 ，圆管道的直径，圆管道的直径r =1m，则截面积则截面积A=0.79m2 ，流量，流量qV V= 7.9m3 /s 。流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别称为体积流量积数或质量数，分别称为体积流量qV和质量流量和质量流量qm。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量q
25、。把。把瞬时流量对时间瞬时流量对时间t进行累计，求出累计体积或累计进行累计，求出累计体积或累计质量的总和，称为累积流量，也叫总量。质量的总和，称为累积流量，也叫总量。五、流量的测量方法五、流量的测量方法 测量流量的方法很多，有测量流量的方法很多，有流速法流速法、容积法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡叶轮式、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、差压节流式普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照等。按照国家标准制造的国家标准制造的标准节流装置标准节流装置的流量系数计算公的
26、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较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。式流量计。 叶轮式风叶轮式风流速、流量计流速、流量计 （参考北京北方大河仪器仪表（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）有限公司资料）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 所谓所谓节流装置，就是在管道中段设置一个节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，或者文丘里喷嘴，使流体经过该节流装置
27、时，流束局部收缩，流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。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，当流体后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度的温度t 、压力、压力p1变化时，流体的密度将随之改变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行变。所以必须进行温度、压力温度、压力修正。修正。 节流装置节流装置（取压管及取压管及内部的节流内部的节流孔板）孔板）节流孔板节流孔板后取压管后取压管 前取压管前取压管流体通过节流体通过节流孔板时，流孔板时，流速加快，流速加快，后取压管处后取压管处的压
28、力减小。的压力减小。节流装置外形节流装置外形节流孔板节流孔板后取压管后取压管 流体流经节流孔板时，流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况压力和流速的变化情况 节流孔板节流孔板流速变快，流速变快，压力变小压力变小 导压管的配置导压管的配置 从取压孔到差压变送器的导压管的配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。如果置应按照规定的标准安装。如果被测流体被测流体是气体，导压管应从节流装置的上方引出是气体，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；如以免混杂在气体中的液滴堵住取压管；如果果被测流体是液体，导压管应从节流装置被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引出的下方引出，以免混杂在液体中的气体影，以免混杂在液体中的气体影响取压。响取压。 导压管配置图导压管配置图节流式流量计外形节流式流量计外形休息一下休息一下
