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1、第 五 章 電 容 傳 感 器 本 章 學(xué) 習(xí) 電 容 傳 感 器 的 原 理 及 應(yīng) 用 ，還 涉 及 壓 力 、 液 位 及 流 量 的 測 量 方 法 。 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 ？ 0 r AAC d d 電 容 傳 感 器 的 基 本 理 想 公 式 為 第 一 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 工 作 原 理及 結(jié) 構(gòu) 形 式 改 變 A、 d、 三 個(gè) 參 量 中 的 任 意 一 個(gè) 量 ， 均 可 使平 板 電 容 的 電

2、 容 量 C 改 變 。 固 定 三 個(gè) 參 量 中 的 兩 個(gè) ， 可 以 做 成 三 種 類 型 的 電容 傳 感 器 。 0 r AAC d d 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(yùn) 動 。 圖 c是 一 個(gè) 角 位 移 式 的 結(jié) 構(gòu) 。 極 板 2的 軸 由 被 測

3、 物 體 帶動 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 。 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 。 請 畫 出 變 面 積 式 電 容 傳 感 器 的 輸 出特 性 曲 線 ！ 二 、 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 當(dāng) 動 極 板 受 被 測 物 體 作 用 引 起 位 移 時(shí) ，改 變

4、 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) 。 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 的 特 性 曲 線 從 圖 中 可 以 看 到 ， 為 了 提 高 靈 敏 度 ， 應(yīng) 使 當(dāng) d 0小些 還 是 大 些 ？ 當(dāng) 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 的 初 始 極 距 d0較小 時(shí) ， 它 的 測 量 范 圍 變 大 還 是 變 小 ？ a） 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 b）

5、電 容 量 與 極 板 距 離 的 關(guān) 系1定 極 板 2動 極 板 2021-5-14 8 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(shí) ， 電 容 器 的 電 容 量 也就 不 同 。 幾 種 介 質(zhì) 的 相 對 介 電 常 數(shù) 變 介 電 常 數(shù) 式 電 容 傳 感 器 的 用 途 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(shí) ， 哪 一 種 情 況 下

6、 的 電容 量 變 大 ？ 可 用 于 測 量 什 么 非 電 量 ？ 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 。 電 容 式 傳 感 器 的 調(diào) 頻 電 路 與 電 渦 流 傳 感 器有 何 區(qū) 別 ？ 式 中 哪 些 量 是 變 量 ？ 01 5-22f L C 調(diào) 頻 （ FM） 電 路TTL電 平 的

7、高 電 平 和 低 電 平電 壓 范 圍 分 別 是 多 少 伏 ？ 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 x、 相 對 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 。 一 、 電 容 式 液 位 計(jì) 棒

8、狀 電 極 （ 金 屬 管 ） 外面 包 裹 聚 四 氟 乙 烯 套 管 ， 當(dāng)被 測 液 體 的 液 面 上 升 時(shí) ， 引起 棒 狀 電 極 與 導(dǎo) 電 液 體 之 間的 電 容 變 大 。 圖 5 6b聚 四 氟 乙 烯 外 套 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 。 液 位 限 位 傳 感 器的 設(shè) 定 智 能 化 液 位 傳 感

9、 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 和 控 制 信 號 。 設(shè) 定 按 鈕 2021-5-14 16 智 能 化 液 位 限 位 傳 感 器 的 設(shè) 定 按 鈕 超 限 燈正 常 工 作指 示 燈設(shè) 定 按 鈕電 源 指 示 燈 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

10、 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(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 。 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 ： 0.5-2000H z，安 裝 諧 振 點(diǎn) :8kH z ， 分 辨 力 ： 0.00004g ， 重 量 ： 200g ， 安 裝 螺 紋 ： M5 mm

11、 ， 線 性 誤 差 ： 1% 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 ） 利 用 微 電 子 加 工 技 術(shù) ， 可 以 將 一 塊 多 晶 硅 加 工 成多 層 結(jié) 構(gòu) ， 制 造 出 三 層 多 晶 硅 極 板 ， 組 成 差 動 電 容 C1、C2。 底 層 多 晶 硅 和 頂 層 多 晶 硅 固 定 不 動 。 中 間 層 多 晶 硅是 一 個(gè) 可 以 上 下 微 動 的 振 動 片 。 其 左 端 固 定

12、 在 襯 底 上 ，所 以 相 當(dāng) 于 懸 臂 梁 。 當(dāng) 它 感 受 到 上 下 振 動 時(shí) ， C1、 C2呈 差 動 變 化 。 與 加速 度 測 試 單 元 封 裝 在 同 一 殼 體 中 的 信 號 處 理 電 路 將 C 轉(zhuǎn) 換 成 直 流 輸 出 電 壓 。 它 的 激 勵(lì) 源 也 做 在 同 一 殼 體 內(nèi) 。由 于 硅 的 彈 性 滯 后 很 小 ， 且 懸 臂 梁 的 質(zhì) 量 很 輕 ， 所 以 頻率 響 應(yīng) 可 達(dá) 1kHz以 上 ， 允 許 加 速 度 范 圍 可 達(dá) 50g 以 上 。 如 果 在 殼 體 內(nèi) 的 三 個(gè) 相 互 垂 直 方 向 安 裝 三 個(gè) 加 速

13、度 傳 感 器 ， 就 可 以 測 量 三 維 方 向 的 振 動 或 加 速 度 。 加 速 度 傳 感 器 在 汽 車 中 的 應(yīng) 用 當(dāng) 測 得 的 負(fù) 加 速 度 值 超 過 設(shè) 定 值 時(shí) ， 微處 理 器 據(jù) 此 判 斷 發(fā) 生 了 碰 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 ， 托住 駕 駛 員 及 前 排 乘 員 的 胸 部 和 頭 部 。 裝 有 傳 感器 的 假 人氣 囊 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

14、迅 速 充 氣 。 2021-5-14 23 汽 車 氣 囊 對 駕 駛 員 的 保 護(hù) 作 用 2021-5-14 24 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 三 、 濕 敏 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(zhì) ， 在 其 兩 側(cè) 面 鍍 上 多 孔 性 電 極 。當(dāng) 相 對 濕 度 增 大 時(shí) ， 吸 濕 性 介 質(zhì) 吸 收 空 氣 中 的水 蒸 氣 ， 使 兩 塊 電 極 之 間 的 介 質(zhì) 相 對 介 電 常 數(shù)大 為 增 加 （ 水 的 相 對 介 電 常

15、 數(shù) 為 80） ， 所 以 電容 量 增 大 。 2021-5-14 26 濕 敏 電 容 外 形吸 水 高 分 子 薄 膜 2021-5-14 27 濕 敏 電 容 模 塊 及 傳 感 器 外 形 2021-5-14 28 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 2021-5-14 29 多 孔 性 氧 化 鋁 濕 敏 電 容 傳 感 器 外 形 2021-5-14 30 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

16、動 電 阻 絲 式 圓盤 電 位 器 ， 由 電 流表 指 示 出 油 量 。 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 機(jī) 反 轉(zhuǎn) ， 指 針 逆 時(shí) 針 偏 轉(zhuǎn) （ 示 值 減 小 ） ， 同時(shí) 帶 動 RP的 滑 動 臂 移 動 。 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 機(jī) 停 轉(zhuǎn) ， 指 針 停 留 在 新

17、 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) ？ 2021-5-14 32 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 五 、 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

18、物 不 同 來 改 變 動 作 距離 。 2021-5-14 34 電 容 式 接 近 開 關(guān) 外 形齊 平 式 非 齊 平 式 非 齊 平 式 接 近 開 關(guān) 的 安 裝 非 齊 平 式 安 裝 時(shí) ， 傳 感 器 高 于 安裝 支 架 ， 易 損 壞 。 全 密 封 防 水 式遠(yuǎn) 距 離 式 （ 大 量 程 ） 2021-5-14 37 電 容 接 近 開 關(guān) 的 規(guī) 格 2021-5-14 38 電 容 式 接 近 開 關(guān) 在 液 位 測 量 控 制 中 的 使 用 2021-5-14 39 電 容 式 接 近 開 關(guān)在液 位 物 位 測 量控 制 中 的 使 用對應(yīng)的光柱顯示 2021

19、-5-14 40 電 容 式 接 近 開 關(guān) 在 物 位 測 量 控 制 中 的 使 用 2021-5-14 41 電 容 式 接 近 開 關(guān) 在 物 位 測 量 控 制 中 的使 用 演 示 2021-5-14 42 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 第 四 節(jié) 壓 力 和 流 量 的 測 量 一 、 壓 力 的 基 本 概 念 壓 力 的 國 際 單 位 為 “ 帕 斯 卡 ” ， 簡 稱“ 帕 ” （ Pa） 。 除 此 之 外 ， 工 程 界 長 期 使 用 許 多 不 同 的壓 力 計(jì) 量 單 位 。 如 “ 工 程

20、 大 氣 壓 ” 、 “ 標(biāo) 準(zhǔn)大 氣 壓 ” 、 “ 毫 米 汞 柱 ” ， 氣 象 學(xué) 中 還 用“ 巴 ” （ bar） 和 “ 托 ” 為 壓 力 單 位 。 這 些單 位 在 一 些 進(jìn) 口 儀 表 說 明 書 上 可 能 還 會 見 到 。 2021-5-14 44 壓 力 單 位 轉(zhuǎn) 換 對 照 表 二 、 電 容 式 差 壓 變 送 器 高 壓 側(cè)進(jìn) 氣 口 低 壓 側(cè)進(jìn) 氣 口電 子線 路位 置 內(nèi) 部 不 銹 鋼 膜 片 的 位 置 電 容 式 差 壓 變 送 器 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 1高 壓 側(cè) 進(jìn) 氣 口 2低 壓 側(cè) 進(jìn) 氣 口 3過 濾 片 4空 腔 5柔 性 不 銹

21、鋼 波 紋 隔 離 膜 片 6導(dǎo) 壓 硅 油 7 凹 形 玻 璃 圓 片 8鍍 金 凹 形 電 極 9彈 性 平 膜 片 10 腔 2021-5-14 47 各 種 電 容 式 差壓 變 送 器 外 形 2021-5-14 48 各 種 電 容 式 壓 力 變 送 器 外 形 （ 續(xù) ） （ 參 考 丹 東 長隆 自 控 有 限 公司 資 料 ） 法 蘭 2021-5-14 49 各 種 電 容 式 壓 力 變 送 器 外 形 （ 續(xù) ） 2021-5-14 50 三 、 利 用 電 容 差 壓 變 送 器測 量 液 體 的 液 位 差 壓 變 送 器施 加 在 高 壓 側(cè) 腔 體 內(nèi)的 壓

22、力 與 液 位 成 正 比 ： p = g h 2021-5-14 51 電 容 差 壓 變 送 器 用 于 測 量液 體 的 液 位 投 入 式 水 位 計(jì) 四 、 流 量 的 基 本 概 念 體 積 流 量 qV=Av， 單 位 為 m3/h或 L/s； 質(zhì) 量 流 量 qm =Av， 單 位 為 t /h或 kg/s。 例 ： 設(shè) 測 得 流 速 v =10m/s ， 圓 管 道的 直 徑 r =1m， 則 截 面 積 A=0.79m2 ，流 量 qV= 7.9m3 /s 。 五 、 節(jié) 流 式 流 量 計(jì) 及 電 容 差 壓 變 送 器 在流 量 測 量 中 的 應(yīng) 用 測 量 流 量

23、 的 方 法 很 多 ， 有 流 速 法 、 容 積 法 、質(zhì) 量 法 、 水 槽 法 等 。 流 速 法 中 ， 又 有 葉 輪 式 、 渦輪 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(jié) 流 式 等 。 按 照國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 制 造 的 標(biāo) 準(zhǔn) 節(jié) 流 裝 置 的 流 量 系 數(shù) 計(jì) 算 公式 是 相 當(dāng) 完 備 的 ， 所 以 它 是 一 種 可 靠 性 和 標(biāo) 準(zhǔn) 化較 高 的 流 量 傳 感 器 ， 所 以 在 工 業(yè) 中 大 量 使 用 差 壓式 流 量 計(jì) 。 2021-5-14 54 葉

24、 輪 式 風(fēng)流 速 、 流 量 計(jì) （ 參 考 北 京 北 方 大 河 儀 器 儀 表有 限 公 司 資 料 ） 2021-5-14 55 玻 璃 轉(zhuǎn) 子流 量 計(jì) 流 體 入 口流 體 出 口轉(zhuǎn) 子 差 壓 節(jié) 流 式 流 量 計(jì) 所 謂 節(jié) 流 裝 置 ， 就 是 在 管 道 中 段 設(shè) 置 一 個(gè)流 通 面 積 比 管 道 狹 窄 的 孔 板 或 者 文 丘 里 噴 嘴 ，使 流 體 經(jīng) 過 該 節(jié) 流 裝 置 時(shí) ， 流 束 局 部 收 縮 ， 流速 提 高 ， 壓 強(qiáng) 減 小 。 節(jié) 流 式 流 量 計(jì) 的 缺 點(diǎn) 是 流 體 通 過 節(jié) 流 裝 置后 ， 會 產(chǎn) 生 不 可 逆 的

25、 壓 力 損 失 。 另 外 ， 當(dāng) 流 體的 溫 度 t 、 壓 力 p1變 化 時(shí) ， 流 體 的 密 度 將 隨 之 改變 。 所 以 必 須 進(jìn) 行 溫 度 、 壓 力 修 正 。 節(jié) 流 裝 置（ 取 壓 管 及內(nèi) 部 的 節(jié) 流孔 板 ）節(jié) 流 孔 板 后 取 壓 管 前 取 壓 管 流 體 通 過 節(jié)流 孔 板 時(shí) ，流 速 加 快 ，后 取 壓 管 處的 壓 力 減 小 。 2021-5-14 58 節(jié) 流 裝 置 外 形節(jié) 流 孔 板 后 取 壓 管 2021-5-14 59 流 體 流 經(jīng) 節(jié) 流 孔 板 時(shí) ，壓 力 和 流 速 的 變 化 情 況 節(jié) 流 孔 板 流 速

26、 變 快 ，壓 力 變 小 2021-5-14 60 節(jié) 流 裝 置 的 另 一 種 形 式 文 丘 里 管或 文 丘 里 噴 嘴 文 丘 里 噴 嘴 的 壓 力 損 失 較 小 。流 體 入 口 狹 窄 部 位 文 丘 里 噴 嘴 原 理 示 意 圖 文 丘 里 噴 嘴 結(jié) 構(gòu) 圖文 丘 里 噴 嘴 在管 道 中 的 位 置前 取 壓 口 后 取 壓 口 導(dǎo) 壓 管 的 配 置 從 取 壓 孔 到 差 壓 變 送 器 的 導(dǎo) 壓 管 的 配置 應(yīng) 按 照 規(guī) 定 的 標(biāo) 準(zhǔn) 安 裝 。 如 果 被 測 流 體是 氣 體 ， 導(dǎo) 壓 管 應(yīng) 從 節(jié) 流 裝 置 的 上 方 引 出 ，以 免 混 雜 在 氣 體 中 的 液 滴 堵 住 取 壓 管 ； 如果 被 測 流 體 是 液 體 ， 導(dǎo) 壓 管 應(yīng) 從 節(jié) 流 裝 置的 下 方 引 出 ， 以 免 混 雜 在 液 體 中 的 氣 體 影響 取 壓 。 2021-5-14 63 導(dǎo) 壓 管 配 置 圖 2021-5-14 64 節(jié) 流 式 流 量 計(jì) 外 形 上 海 肯 特 智 能 有 限 公 司 卡 門 渦 街 流 量 計(jì) 演 示 氣 體 或 液 體 管 道及 渦 流 發(fā) 生 錐 體 另一種新型流速式流量計(jì) 2021-5-14 66 休息一下