檢測技術(shù)與智能儀表設計第二專題-2課件

在這一章里，要給大家介紹電容傳感器的基本原理、特性和應用，也集中講一講在工業(yè)領域應用較多的壓力、液位和流量測量。在測量中，被測物理量通過電容傳感器轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或頻率。電容傳感器的最大特點是反應快。第四章電容傳感器2/6/20231電容傳感器原理動畫我們先來做一個實驗。打開一只老式收音機后蓋，可以看到一只“可變電容器”。增加該電容器“動片”的旋出角度，收音機的諧振頻率就逐漸升高，所接收到的電臺頻率也逐漸升高。結(jié)論：這個電容器的電容量與兩個半圓的有效投影面積成正比。2/6/20232第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

電容傳感器的基本理想公式為2/6/20233一、變面積式電容傳感器圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。2/6/20235變面積式電容傳感器的特性

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。

2/6/20236二、變極距式電容傳感器

當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。2/6/20237差動式電容傳感器

a）差動變極距式b）差動變面積式1－動極板2－定極板差動電容傳感器的靈敏度提高近一倍，線性也得到改善。外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消。電容傳感器的非線性誤差還可以進一步用計算機來計算修正。2/6/20239三、變介電常數(shù)式

因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)2/6/202310變介電常數(shù)式電容傳感器的用途思考

根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量變大？可用于測量什么非電量？2/6/202311第二節(jié)電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

（調(diào)頻電路）調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應的變化。

2/6/202313調(diào)頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？

2/6/202314第三節(jié)電容式傳感器的應用電容器的容量受三個因素影響，即：極距d、相對面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個變量，電容量C就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。

2/6/2023152/6/202317電容式液位限位傳感器液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。2/6/202318液位限位傳感器的設定智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設定按鈕2/6/202319二、硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2/6/202321微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2/6/202322硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）2/6/202323汽車氣囊的保護作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2/6/202325汽車氣囊對駕駛員的保護作用2/6/202326利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置2/6/202327濕敏電容外形吸水高分子薄膜2/6/202329濕敏電容模塊及傳感器外形2/6/202330濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型2/6/202331多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

2/6/202332四、電容式油量表

機械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2/6/202333電容式油量表當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同時帶動RP的滑動臂移動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？2/6/202334上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機油箱2/6/202335三、電容式接近開關(guān)

被檢測物體可以是導電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。2/6/202336電容式接近開關(guān)外形齊平式非齊平式2/6/202337非齊平式接近開關(guān)的安裝非齊平式安裝時，傳感器端部高于安裝支架，易損壞。2/6/202338全密封防水式遠距離式（大量程）2/6/202339電容接近開關(guān)的規(guī)格2/6/202340電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用2/6/202341電容式接近開關(guān)在

液位物位測量

控制中的使用對應的光柱顯示2/6/202342電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用2/6/202343電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示2/6/202344不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關(guān)動作距離的影響2/6/2023453）在電容傳感器中，若采用調(diào)頻法測量轉(zhuǎn)換電路，則電路中________。A.電容和電感均為變量B.電容是變量，電感保持不變C.電容保持常數(shù)，電感為變量D.電容和電感均保持不變4）利用濕敏電容可以測量________。A.空氣的絕對濕度B.空氣的相對濕度C.空氣的溫度D.紙張的含水量5）電容式接近開關(guān)對________的靈敏度最高。A.玻璃B.塑料C.紙D.雞飼料2/6/2023461－儲液罐2－液面3－玻璃連通器4－鋼質(zhì)直角接頭5－不銹鋼圓環(huán)6－101段LED光柱

．利用分段電容傳感器測量液位的光柱顯示編碼式液位計原理示意圖如圖所示。玻璃連通器3的外圓壁上等間隔地套著n個不銹鋼圓環(huán)，顯示器采用101線LED光柱（第一線常亮，作為電源指示）2/6/2023471）該方法采用了電容傳感器中變極距、變面積、變介電常數(shù)三種原理中的哪一種？2）被測液體應該是導電液體還是絕緣體？3）分別寫出該液位計的分辨率（%）及分辨力（幾分之一米）的計算公式，并說明如何提高此類液位計的分辨率。4）設當液體上升到第個N不銹鋼圓環(huán)的高度時，101線LED光柱全亮。若N=32，則當液體上升到第八個不銹鋼圓環(huán)的高度時