檢測技術(shù)與智能儀表設(shè)計(jì)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(yīng)用，也集中講一講在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(diǎn)是反應(yīng)快。第四章電容傳感器2/6/20231電容傳感器原理動(dòng)畫我們先來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。打開一只老式收音機(jī)后蓋，可以看到一只“可變電容器”。增加該電容器“動(dòng)片”的旋出角度，收音機(jī)的諧振頻率就逐漸升高，所接收到的電臺(tái)頻率也逐漸升高。結(jié)論：這個(gè)電容器的電容量與兩個(gè)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(gè)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(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，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(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。圖c是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移

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

實(shí)際使用時(shí)，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(diǎn)。2/6/20237差動(dòng)式電容傳感器

a）差動(dòng)變極距式b）差動(dòng)變面積式1－動(dòng)極板2－定極板差動(dòng)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(lì)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(jìn)一步用計(jì)算機(jī)來計(jì)算修正。2/6/20239三、變介電常數(shù)式

因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)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(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)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(duì)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(shí)，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(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f

產(chǎn)生相應(yīng)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(yīng)用電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距d、相對(duì)面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個(gè)變量，電容量C就是另一個(gè)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(gè)電參數(shù)來達(dá)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(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。2/6/202318液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)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(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），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(gè)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(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):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(hào)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(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2/6/202325汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用2/6/202326利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)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(bào)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(jī)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(dòng)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(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)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(shí)可以使用嗎？為什么？

該油量表可用于飛機(jī)油箱2/6/202335三、電容式接近開關(guān)

被檢測物體可以是導(dǎo)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(dòng)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(shí)，傳感器端部高于安裝支架，易損壞。2/6/202338全密封防水式遠(yuǎn)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(duì)應(yīng)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(duì)電容式接近開關(guān)動(dòng)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(duì)濕度B.空氣的相對(duì)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(duì)________的靈敏度最高。A.玻璃B.塑料C.紙D.雞飼料2/6/2023461－儲(chǔ)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(jì)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(gè)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(yīng)該是導(dǎo)電液體還是絕緣體？3）分別寫出該液位計(jì)的分辨率（%）及分辨力（幾分之一米）的計(jì)算公式，并說明如何提高此類液位計(jì)的分辨率。4）設(shè)當(dāng)液體上升到第個(gè)N不銹鋼圓環(huán)的高度時(shí)，101線LED光柱全亮。若N=32，則當(dāng)液體上升到第八個(gè)不銹鋼圓環(huán)的高度時(shí)