自动检测与转换技术3.1

2020/2/261第三讲电容传感器本章学习电容传感器的原理及应用，还涉及压力、液位及流量的测量方法。2020/2/262一、电容式传感器的工作原理及结构形式改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。0rAACdd电容传感器的基本公式2020/2/263一、变面积式电容传感器变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。2020/2/264二、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，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。2020/2/265三、变介电常数式因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数2020/2/266第二节电容式传感器的测量转换电路（调频电路）调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f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有何区别？015-22fLC2020/2/267调频（FM）电路TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？0～0.8V3.4～5V2020/2/268第三节电容式传感器的应用电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。一、电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套2020/2/2610电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。2020/2/2611液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮2020/2/2612智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯2020/2/2613二、硅微加工加速度传感器图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。2020/2/2614硅微加工加速度传感器原理1—加速度测试单元2—信号处理电路3—衬底4—底层多晶硅（下电极）5—多晶硅悬臂梁6—顶层多晶硅（上电极）2020/2/2615利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。2020/2/2616加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊2020/2/2617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撞时，经控制系统使气囊迅速充气。2020/2/2618汽车气囊对驾驶员的保护作用2020/2/2619利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置2020/2/2620三、湿敏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。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大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。2020/2/2621湿敏电容外形吸水高分子薄膜2020/2/2622湿敏电容模块及传感器外形2020/2/2623湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型2020/2/2624多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形2020/2/2625四、电容式油量表机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。2020/2/2626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m处。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RP的滑动臂移动。当RP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（x处）。该油量表属于开环系统还是闭环系统？2020/2/2627上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？该油量表可用于飞机油箱2020/2/2628五、电容式接近开关被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。2020/2/2629电容式接近开关外形齐平式非齐平式2020/2/2630非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。2020/2/2631全密封防水式远距离式（大量程）2020/2/2632电容接近开关的规格2020/2/2633电容式接近开关在液位测量控制中的使用2020/2/2634电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用2020/2/2635电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示2020/2/2636第四节压力和流量的测量一、压力的基本概念物理学中的压强在检测领域中称为压力P,P=F/A,国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”（1Pa=1N/m2）。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”（bar）和“托”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。2020/2/2637压力绝对压力(绝对压力传感器)相对压力差压(差压传感器)表压(表压传感器)2020/2/2638压力单位转换对照表2020/2/2639二、电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置2020/2/2640电容式差压变送器内部结构1—高压侧进气口2—低压侧进气口3—过滤片4—空腔5—柔性不锈钢波纹隔离膜片6—导压硅油7—凹形玻璃圆片8—镀金凹形电极9—弹性平膜片10—腔2020/2/2641各种电容式差压变送器外形2020/2/2642三、利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=ghΔp=p1-p0=p0+gh-p0=gh2020/2/2643电容差压变送器用于测量液体的液位投入式水位计2020/2/2644四、流量的基本概念体积流量qV=Av，单位为m3/h或L/s；质量流量qm=Av，单位为t/h或kg/s。例：设测得流速v=10m/s，圆管道的直径r=1m，则截面积A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。2020/2/2645五、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用测量流量的方法很多，有流速法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照国家标准制造的标准节流装置的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较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。2020/2/2646叶轮式风流速、流量计（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）2020/2/2647玻璃转子流量计流体入口流体出口转子2020/2/2648差压节流式流量计所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，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。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，当流体的温度t、压力p1变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温度、压力修正。2020/2/2649节流装置（取压管及内部的节流孔板）节流孔板后取压管前取压管流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。2020/2/2650节流装置外形节流孔板后取压管2020/2/2651流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况qv节流孔板流速变快，压力变小)212ppAq（2020/2/2652节流装置的另一种形式——文丘里管或文丘里喷嘴文丘里喷嘴的压力损失较小。流体入口狭窄部位2020/2/2653文丘里喷嘴原理示意图文丘里喷嘴结构图文丘里喷嘴在管道中的位置前取压口后取压口2020/2/2654导压管的配置节流装置输出的压力差是从节流装置的前后取压孔取出的。从取压孔到差压变送器的导压管的配置也应按照规定的标准安装。如果被测流体是气体，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；如果被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引出，以免混杂在液体中的气体影响取压。2020/2/2655导压管配置图2020/2/2656节流式流量计外形2020/2/2657休息一下