1、2022-3-71機械工業出版社機械工業出版社中等職業教育電氣類規劃教材中等職業教育電氣類規劃教材 自動檢測與轉換技術自動檢測與轉換技術第五章第五章多媒體課件200951 更新2022-3-72在這一章里，卡卡要給大家介紹電容傳感器的基在這一章里，卡卡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領域應本原理、特性和應用，也集中講一講在工業領域應用較多的壓力、液位和流量測量。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換為電在測量中，被測物理量通過電容傳感器轉換為電容量的變化，再經測量轉換電路轉換為電壓或頻率。容量的變化，再經測量轉換電路轉換為電壓或頻率

2、。電容傳感器的最大特點是反應快。電容傳感器的最大特點是反應快。第五章第五章 電容傳感器電容傳感器第五章電容傳感器原理動畫第五章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，可以看到一只蓋，可以看到一只“可變電容器可變電容器”。增加該電容。增加該電容器器“動片動片”的旋出角度，收音機的諧振頻率就逐的旋出角度，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。漸升高，所接收到的電臺頻率也逐漸升高。結論：這個電容器的電容量與兩個幾班的有效結論：這個電容器的電容量與兩個幾班的有效投影面積成正比。投影面積成正比。第一節第一節 電容式傳感器的

3、工作原理電容式傳感器的工作原理及結構形式及結構形式 上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？幾種類型的電容傳感器？ 0 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為第一節第一節 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結構形式及結構形式 改變改變A A、d d、 三個參量中的任意一個量，均可使三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量平板電容的電容量C C 改變。改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型三種類型的電的電容傳感器。容傳感器。 0 rAACdd 從電工知識可知，

4、電容傳感器的電容量從電工知識可知，電容傳感器的電容量C與兩極板與兩極板相互遮蓋的有效面積相互遮蓋的有效面積A以及兩極板之間的介質相對介以及兩極板之間的介質相對介電常數電常數r成正比，與兩極板間的距離成正比，與兩極板間的距離d（常稱為極距）（常稱為極距）成反比。成反比。回回 顧顧 一一 下下一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器 圖圖a是是平板形直線位移式結構平板形直線位移式結構，其中極板，其中極板1可以左右移動，可以左右移動，稱為動極板。極板稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖固定不動，稱為定極板。圖b b是是同心圓筒形同心圓筒形變面積式傳感器變面積式傳感器。外圓筒不動，內圓筒在外

5、圓筒內作上、下直。外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。圖線運動。圖c c是一個是一個角位移式的結構角位移式的結構。極板。極板2 2的軸由被測物體帶的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移動而旋轉一個角位移 度時，兩極板的遮蓋面積度時，兩極板的遮蓋面積A A 就減小，因就減小，因而電容量也隨之減小。而電容量也隨之減小。變面積式電容傳感器的特性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變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的線性的，靈敏度是常數。這一類傳感器，靈敏度是常數。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。參量。 請畫出變面積式電容

6、傳感器的輸出請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！特性曲線！二、變極距式電容傳感器二、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，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改變了兩極板之間的距離d d，從而使電容量，從而使電容量發生變化。發生變化。 實際使用時，總是使實際使用時，總是使初始極距初始極距d0盡量盡量小些小些，以，以提高靈敏度提高靈敏度，但這也帶來了變極，但這也帶來了變極距式電容器的距式電容器的行程較小的缺點行程較小的缺點。變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特性曲線 a） 結構示意圖結構示意圖 b）電容量與極板距離的關系）電容量與極板距離的關

7、系1定極板定極板 2動極板動極板 觀察圖觀察圖5-4b所示的變極距式電容傳感器特性曲線，所示的變極距式電容傳感器特性曲線，變極距式電容傳感器的特性是什么曲線？當初始安裝變極距式電容傳感器的特性是什么曲線？當初始安裝距離距離d0較小時所引起的電容變化量較小時所引起的電容變化量C1，與，與d0較大時較大時的的C2比較，靈敏度哪個高？對行程有何影響？比較，靈敏度哪個高？對行程有何影響？差動式電容傳感器差動式電容傳感器 在第四章里，卡卡給大家介紹過差動電感的特性在第四章里，卡卡給大家介紹過差動電感的特性及優點，大家還記得嗎？及優點，大家還記得嗎？回回 顧顧 一一 下下a a）差動變極距式）差動變極距式

8、 b b）差動變面積式）差動變面積式 1 1動極板動極板 2 2定極板定極板差動電容傳感器的靈敏度提差動電容傳感器的靈敏度提高近一倍，線性也得到改善。外高近一倍，線性也得到改善。外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、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。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進一步用計算機來計算修正 。三、變介電常數式三、變介電常數式 因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電

9、容量也就不同。就不同。幾種介質的相對介電常數幾種介質的相對介電常數變介電常數式電容傳感器的用途思考變介電常數式電容傳感器的用途思考 根據上根據上表，分析表，分析不同介質對變介電常不同介質對變介電常數電容器的影響。在電容器兩極板間數電容器的影響。在電容器兩極板間插入插入干的紙和潮濕的紙干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的時，哪一種情況下的電電容量變大容量變大？可用于測量什么非電量可用于測量什么非電量？第二節第二節 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 （調頻電路調頻電路 ） 調頻電路將電容式傳感器作為調頻電路將電容式傳感器作為 LC LC 振蕩器諧振振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳

10、感器工作時，電容回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx 發發生變化，就使振蕩器的頻率生變化，就使振蕩器的頻率 f 產生相應的變化。產生相應的變化。 電容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器電容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器有何區別？式中有何區別？式中哪些量是變量哪些量是變量？01 5-22fL C調頻（調頻（FM）電路）電路TTL電平的高電平和低電平電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？電壓范圍分別是多少伏？ 第三節第三節 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 電容器的容量受三個因素影響，即：電容器的容量受三個因素影響，即：極距極距x、相對面積、相對面積A 和極間介電常數和極間介電常數

11、。固定。固定其中兩個變其中兩個變 量，電容量量，電容量C 就是另一個變量就是另一個變量的一元函數。只要想辦法的一元函數。只要想辦法將被測非電量轉換將被測非電量轉換成極距或者面積、介電常數的變化成極距或者面積、介電常數的變化，就可以，就可以通過測量電容量這個電參數來達到非電量電通過測量電容量這個電參數來達到非電量電測的目的測的目的。 一、電容式液位計一、電容式液位計 棒狀電極（金屬管）外棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙

12、烯外套電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液液位限位傳感器與液位變送器的區別在于：它位變送器的區別在于：它不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平的型號。的型號。液位限位傳感器液位限位傳感器的設定的設定 智能化液位傳感器的設智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：定方法十分簡單： 用手指壓住設定按鈕，用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高定。

13、正常使用時，當水位高于該點后，即可發出報警信于該點后，即可發出報警信號和控制信號。號和控制信號。設定按鈕設定按鈕智能化液位限位傳感器的設定按鈕智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈超限燈正常工作正常工作指示燈指示燈設定按鈕設定按鈕電源電源 指示燈指示燈二、硅微加工加速度傳感器二、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作慣性力或重力加速度。其工作電壓為電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測，加速度測量范圍為數個量范圍為數個g g，可輸

14、出與加，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM 脈脈沖。沖。微加工三軸加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器技術指標：技術指標： 靈敏度：靈敏度：500mV/g ， 量程：量程：10g， 頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點安裝諧振點:8kHz ， 分辨力：分辨力：0.00004g ， 重量：重量：200g ， 安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm ， 線性誤差：線性誤差：1% 1% 硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加速度測試單元加速度測試單元 2 2信號處理電路信號處理電路 3 3襯底襯底 4 4

15、底層多晶硅底層多晶硅 （下電極）（下電極） 5 5多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6頂層多晶硅頂層多晶硅 （上電極）（上電極）加速度傳感器在汽車中的應用加速度傳感器在汽車中的應用 當測得的負加速度值超過設定值時，當測得的負加速度值超過設定值時， 微微處理器處理器據此判斷發生了碰據此判斷發生了碰 撞，于是就啟動轎撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊汽車氣囊的保護作用汽車氣囊的保護作用 使用加速度傳感器可以在汽車發生碰使用加速度傳感器可

16、以在汽車發生碰撞時，經控制系統使氣囊迅速充氣撞時，經控制系統使氣囊迅速充氣 。 汽車氣囊對駕駛員的保護作用汽車氣囊對駕駛員的保護作用利用加速度傳感器實現利用加速度傳感器實現 延時起爆的鉆地炸彈延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置三、濕敏電容三、濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質，在其兩側面鍍上多孔性電極。傳感器的介質，在其兩側面鍍上多孔性電極。當相對濕度增大時，吸濕性介質吸收空氣中的當相對濕度增大時，吸濕性介質吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介電常數水蒸氣，使兩塊電極之間的介質相對介電常數大為增加（水的相對介電常

17、數為大為增加（水的相對介電常數為8080），所以電），所以電容量增大。容量增大。 濕敏電容濕敏電容外形外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容傳感器的安裝使用濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用在野外的使用帶報警器的家庭使用型帶報警器的家庭使用型多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形 四、電容式油量表四、電容式油量表 機械式油量表：機械式油量表： 在油箱內，裝在油箱內，裝有類似衛生間水箱有類似衛生間水箱里的浮球，通過杠里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流盤電位器，由電流表指示出油量。表指示出油量。

18、電容式油量表電容式油量表 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉角為當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉角為 m處。處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減小），同去平衡，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減小），同時帶動時帶動RP的滑動臂移動。當的滑動臂移動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態，伺服電動機停轉，指針停留在新的位置（到新的平衡狀態，伺服電動機停轉，指針停留在新的位置（ x 處）。處）。 該油量該油量表屬于開環表屬于開

19、環系統還是閉系統還是閉環系統？環系統？ 上頁所示的油量表在傾斜狀態時可上頁所示的油量表在傾斜狀態時可以使用嗎？為什么？以使用嗎？為什么？ 該油量該油量表可用于表可用于飛機油箱飛機油箱三、電容式接近開關三、電容式接近開關 被檢測物體可以是被檢測物體可以是導電體、介質損耗較導電體、介質損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等等） ；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。 調節接近開關尾部的調節接近開關尾部的靈敏度調節電位器靈敏度調節電位器，可，可以根據被測物不同來以根據被測物不同來改變動作距離改變動作距離。 在第四章里，曾介紹過在

20、第四章里，曾介紹過“電感式接近開關電感式接近開關”，它能判斷金屬物體靠近與否。它能判斷金屬物體靠近與否。回回 顧顧 一一 下下電容式接近開關外形電容式接近開關外形齊平式齊平式非齊平式非齊平式非齊平式非齊平式接近開關的安裝接近開關的安裝 非齊平式安裝時，傳感器端部高非齊平式安裝時，傳感器端部高于安裝支架，易損壞。于安裝支架，易損壞。全密封防水式全密封防水式遠距離式（大量程）遠距離式（大量程）電容接近開關的規格電容接近開關的規格電容式接近開關在液位測量控制中的使用電容式接近開關在液位測量控制中的使用電容式接近開關電容式接近開關在在液位物位測量液位物位測量控制中的使用控制中的使用對應的光柱顯示 電容

21、式接近開關在物位測量控制中的使用電容式接近開關在物位測量控制中的使用電容式接近開關在物位測量控制中的電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示使用演示不同材料的非金屬檢測物對電容式接不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關動作距離的影響近開關動作距離的影響第四節第四節 壓力和流量的測量壓力和流量的測量 一、壓力的基本概念一、壓力的基本概念 壓力的國際單位為壓力的國際單位為“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”（Pa）。）。 除此之外，工程界長期使用許多不同的除此之外，工程界長期使用許多不同的壓力計量單位。如壓力計量單位。如“工程大氣壓工程大氣壓”、“標準標準大氣壓大氣壓”、“毫米汞柱毫米汞柱”，氣象

22、學中還用，氣象學中還用“巴巴”（bar）和）和“托托”為壓力單位。這些為壓力單位。這些單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。 壓力單位轉換對照表壓力單位轉換對照表 二、電容式差壓變送器二、電容式差壓變送器 高壓側高壓側進氣口進氣口低壓側低壓側進氣口進氣口電子電子線路線路位置位置內部不銹鋼膜片的位置內部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器內部結構電容式差壓變送器內部結構 1 1高壓側進氣口高壓側進氣口 2 2低壓側進氣口低壓側進氣口 3 3過濾片過濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波 紋隔離膜片紋隔離膜片 6 6導壓硅油導壓硅油 7 7 凹形

23、玻璃圓片凹形玻璃圓片 8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔各種電容式差各種電容式差壓變送器外形壓變送器外形 各種電容式壓力變送器外形（續）各種電容式壓力變送器外形（續） （參考（參考丹東長丹東長隆隆 自控有限公自控有限公司司 資料）資料）法蘭法蘭各種電容式壓力變送器外形（續）各種電容式壓力變送器外形（續） 三、利用電容差壓變送器三、利用電容差壓變送器測量液體的液位測量液體的液位 差壓變送器差壓變送器施加在高壓側腔體內施加在高壓側腔體內的壓力與液位成正比：的壓力與液位成正比： p = g h電容差壓變送器用于測量電容差壓變送器用于測量液體的液位液體的液位 投

24、入式水位計投入式水位計四、流量的基本概念四、流量的基本概念 體積流量體積流量qV=Av，單位為，單位為m3/h或或L/s； 質量流量質量流量qm= Av，單位為，單位為t /h或或kg/s。 例：設測得流速例：設測得流速v =10m/s ，圓管道的直徑，圓管道的直徑r =1m，則截面積則截面積A=0.79m2 ，流量，流量qV V= 7.9m3 /s 。流量是指流體在單位時間內通過某一截面的體流量是指流體在單位時間內通過某一截面的體積數或質量數，分別稱為體積流量積數或質量數，分別稱為體積流量qV和質量流量和質量流量qm。這種單位時間內的流量統稱為瞬時流量。這種單位時間內的流量統稱為瞬時流量q。

25、把。把瞬時流量對時間瞬時流量對時間t進行累計，求出累計體積或累計進行累計，求出累計體積或累計質量的總和，稱為累積流量，也叫總量。質量的總和，稱為累積流量，也叫總量。五、流量的測量方法五、流量的測量方法 測量流量的方法很多，有測量流量的方法很多，有流速法流速法、容積法、容積法、質量法、水槽法等。流速法中，又有質量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦葉輪式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節流式普勒式、超聲式、電磁式、差壓節流式等。按照等。按照國家標準制造的國家標準制造的標準節流裝置標準節流裝置的流量系數計算公的流量系數計算公式是相當完備的，所以它是一種可靠性和標準化式是相當完備的，所以它是一種可靠性和標準化較高的流量傳感器，所以在工業中大量使用差壓較高的流量傳感器，所以在工業中大量使用差壓式流量計。式流量計。 葉輪式風葉輪式風流速、流量計流速、流量計 （參考北京北方大