第五章电容传感器.ppt

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1、第五章第五章 电容传感器电容传感器章节导入：章节导入：电容传感器以各种类型的电容作为传感元件，电容传感器以各种类型的电容作为传感元件，通过它将被测量转化为电容量，然后再转化为电通过它将被测量转化为电容量，然后再转化为电压、电流、频率。压、电流、频率。本章要点：本章要点：1、电容传感器的类型及工作原理、电容传感器的类型及工作原理2、电容传感器的灵敏度及输出特性、电容传感器的灵敏度及输出特性3、电容传感器的测量转换电路、电容传感器的测量转换电路4、电容传感器的应用、电容传感器的应用12/20/20221电容传感器工作原理可以用平板电容说明：电容传感器工作原理可以用平板电容说明：改变式中改变式中 S

2、 S 极板面积，称变面积型传感器极板面积，称变面积型传感器 极板距离，称变极距型传感器极板距离，称变极距型传感器 介电常数，称变介质型传感器介电常数，称变介质型传感器 真空介电常数真空介电常数 相对介电常数，相对介电常数，无介质时空气介质无介质时空气介质 r=1r=1第一节第一节 电容式传感的结构形式及工作原理电容式传感的结构形式及工作原理12/20/20222一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 1 1、结构、结构 图图a是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图固定不动，称

3、为定极板。图b b是同心圆筒形是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒变面积式传感器。外圆筒3 3不动，内圆筒不动，内圆筒4 4在外圆筒内作上、下在外圆筒内作上、下直线运动直线运动,5,5是导轨。图是导轨。图c c是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板1 1的轴由的轴由被测物体带动而旋转一个角位移被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因而电容量也随之减小。就减小，因而电容量也随之减小。12/20/202232 2、变面积式电容传感器的特性、变面积式电容传感器的特性 平板电容：平板电容：当动极板移动当动极板移动X X后两极板间电容量为：后

4、两极板间电容量为：初始电容初始电容:电容的相对变化量电容的相对变化量:平板变面积型电容传感器灵敏度平板变面积型电容传感器灵敏度结论：结论：增大极板长度，减小极板距离都可提高灵敏度增大极板长度，减小极板距离都可提高灵敏度变面积式电容传感器灵敏度变面积式电容传感器灵敏度K K为常数；为常数；输出特性为线性；输出特性为线性；适合大位移测量。适合大位移测量。ab12/20/20224变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性同心圆筒变面积式：同心圆筒变面积式：电容变化及灵敏度为电容变化及灵敏度为结论：结论：内外圆筒的半径差越小，灵敏度越高。内外圆筒的半径差越小，灵敏度越高。实实际际使使用用时时，

5、外外圆圆筒筒必必须须接接地地，这这样样可可以以屏屏蔽蔽外外界界干干扰扰，并并且且能能减减小小周周围围人人体体及及金金属属体体对对内内圆圆筒筒的的分分布布电电容容，减减小小误误差。差。2R2rxh034512/20/20225变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性角位移式：角位移式：电容变化及灵敏度为电容变化及灵敏度为结论：结论：增加动极板和定极板的对数，灵敏度越高。增加动极板和定极板的对数，灵敏度越高。实实际际使使用用时时，动动极极板板接接地地，必必须须做做一一个个接接地地的的金金属属屏屏蔽盒，将定极板屏蔽。蔽盒，将定极板屏蔽。1212/20/20226二、变极距式电容传感器二、变极

6、距式电容传感器 初始电容初始电容 当当 减小减小 时，电容时，电容C C增加增加 2灵敏度为：灵敏度为：12/20/20227变极距式电容传感器的特性变极距式电容传感器的特性从上式得出结论：从上式得出结论：1 1、初始极距小，灵敏度高。、初始极距小，灵敏度高。2 2、非线性（缺点）、非线性（缺点）3 3、行程较小（两块极板短路）。、行程较小（两块极板短路）。采用差动形式：采用差动形式：1 1、提高传感器的灵敏度，减小、提高传感器的灵敏度，减小 非线性。非线性。2 2、外界的影响诸如温度、激励、外界的影响诸如温度、激励 源电压、频率变化等也基本源电压、频率变化等也基本 能相互抵消能相互抵消C1C

7、2d2d1xxC1C2L0-xL0+x12/20/20228三、变介电常数式三、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。利用这种原理间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。利用这种原理制成的传感器叫做变介电常数式传感器。例如：制成的传感器叫做变介电常数式传感器。例如：1、当当某某种种介介质质处处于于两两极极板板间间时时，介介质质厚厚度度 越越厚厚，电电容容量量也也就越大。就越大。2、当当介介质质厚厚度度保保持持不不变变、而而相相对对介介电电常常数数r改改变变，如如空空气气湿度变

8、化，介质吸入潮气（湿度变化，介质吸入潮气（r水水1）时，电容量将变大。）时，电容量将变大。3、当当被被测测液液体体（绝绝缘缘体体）的的液液面面在在两两个个同同心心圆圆金金属属管管状状电电极极间间上上下下变变化化时时，引引起起两两电电极极间间不不同同介介电电常常数数介介质质（上上半半部部分分为为空空气气，下下半半部部分分为为液液体体）的的高高度度变变化化，因因而而导导致致总总的的电电容容量量变变大。大。变变介介电电常常数数式式电电容容传传感感器器可可以以检检测测片片状状材材料料的的厚厚度度、性性质质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。12/20/20

9、229三、变介电常数式三、变介电常数式 （几种介质的相对介电常数（几种介质的相对介电常数介质名称介质名称相对介电常数相对介电常数r r介质名称介质名称相对介电常相对介电常数数r r真空真空1 1玻璃釉玻璃釉3535空气空气略大于略大于1 1SiOSiO2 23838其他气体其他气体11.211.2云母云母5858变压器油变压器油2424干的纸干的纸2424硅油硅油23.523.5干的谷物干的谷物3535聚丙烯聚丙烯22.222.2环氧树脂环氧树脂310310聚苯乙烯聚苯乙烯2.42.62.42.6高频陶瓷高频陶瓷1016010160聚四氟乙烯聚四氟乙烯2.02.0低频陶瓷、压低频陶瓷、压电陶瓷

10、电陶瓷100010000100010000聚偏二氟乙聚偏二氟乙烯烯3535纯净的水纯净的水808012/20/202210第二节第二节 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。必须将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。一、桥式电路一、桥式电路桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。u ui i 1MHz1MHz u ui i 1MHz1MHz u uo oC1C1C2C2CxCxC

11、3C3Cx1Cx1Cx2Cx2 u uo o单臂桥接法单臂桥接法差动接法差动接法12/20/202211n CxCx为电容传感器，当交流电桥平衡时，其平衡条件为电容传感器，当交流电桥平衡时，其平衡条件为：为：n当当CxCx变化时，变化时，即桥路有输出电压，上述指即桥路有输出电压，上述指单臂桥接法。单臂桥接法。n差动接法时，若差动接法时，若C Cx1x1=C=Cx2x2，因两电容上叠加的交流电压因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则值相等但相位相反，则 。若。若C CX1X1CCX2X2，因两因两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则 ，即桥路有输出电

12、压。即桥路有输出电压。相位由相敏检波电路分辨相位由相敏检波电路分辨 12/20/202212二、调频（二、调频（FMFM）电路电路 调调频频测测量量电电路路把把电电容容传传感感器器作作为为振振荡荡器器谐谐振振回回路路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器器的的振振荡荡频频率率发发生生变变化化。其其中中L L为为固固定定电电感感，电电容容C C包包含含谐谐振振回回路路中中的的微微调调电电容容C1C1，传传感感器器电电缆缆分分布布电电容容CcCc以及变化电容以及变化电容Cx Cx 由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变由于系统是非线性的，

13、必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。化转化换为电压的变化。12/20/202213 优点：抗干扰能力强，可以取得高电平的直流优点：抗干扰能力强，可以取得高电平的直流信号。已克服分布电容的影响。信号。已克服分布电容的影响。CxCxL L0 0调调频频振振荡荡器器限限幅幅器器鉴鉴频频器器放放大大器器f fUoUTTLTTL去计算机去计算机电压输出电压输出12/20/202214三、脉宽调制（三、脉宽调制（PWMPWM）电路电路电路组成：电路组成：A1A1、A2A2比比较较器器；FFFF双双稳稳态态触触发发器器；VD1VD1、VD2VD2与与电电阻阻组组成成充充放放电电回回路路；UfUf参参

14、考考直直流流电电压压;双双稳稳态态作作输输出出;电电容容Cx1Cx1、Cx2Cx2为传感器差动电容。为传感器差动电容。-+A1-+A2RsQQFFQ低通低通滤波器滤波器UfUoR1VD1R2VD2Cx1Cx212/20/202215电路分析：电路分析：设设接接通通电电源源时时A A高高B B低低，R1R1对对C1C1充充电电C C点点上上升升到到UfUf，比比较较器器A1A1输输出出极极性性改改变变，触触发发器器翻翻转转；A A低低B B高高，D1D1道道通通C1C1放放电电；同同时时B B点点经经C2C2充充电电使使A2A2翻转。翻转。C1=C2C1=C2C1=C2C1=C2，UCUCUCU

15、C、UDUDUDUD放电时间相同，输放电时间相同，输放电时间相同，输放电时间相同，输出平均电压出平均电压出平均电压出平均电压U0=0U0=0U0=0U0=0；C1C2C1C2C1C2C1C2，输出平均电压输出平均电压输出平均电压输出平均电压 U00 U00 U00 U00，若若若若C1C1C1C1C2C2C2C2，输出输出输出输出A A A A、B B B B两点的平均值两点的平均值两点的平均值两点的平均值等于等于等于等于UAUAUAUA、UBUBUBUB之差。之差。之差。之差。双稳态的两个输出端各产生一调制双稳态的两个输出端各产生一调制双稳态的两个输出端各产生一调制双稳态的两个输出端各产生一

16、调制脉冲，脉冲宽度受脉冲，脉冲宽度受脉冲，脉冲宽度受脉冲，脉冲宽度受C1C1C1C1、C2C2C2C2调制。输调制。输调制。输调制。输出为两端之差出为两端之差出为两端之差出为两端之差低通输出低通输出低通输出低通输出12/20/202216第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，量，电容量电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办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、介电常数法将被测非电量转

17、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。到非电量电测的目的。12/20/202217一、电容板材在线测厚仪一、电容板材在线测厚仪测量过程：测量过程：电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。带材是电容的动极板，总电容带材是电容的动极板，总电容CxCx=C1+C2=C1+C2作为桥臂。作为桥臂。利利C1C1、C2C2两两个个极极板板当当带带材材上上下下波波动动时时CxCx=C1+C2=C1+C2总总的的电电容容量量不不变；而带材的厚度变化使电容变；而

18、带材的厚度变化使电容CxCx变化。变化。CxCx=C1+C2=C1+C2蓝色为传动、辊绿色为轧辊、黄色为带材、红色为测蓝色为传动、辊绿色为轧辊、黄色为带材、红色为测量极板量极板12/20/202218二、硅微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作惯性力或重力加速度。其工作电压为电压为2.72.75.255.25V V，加速度测加速度测量范围为数个量范围为数个g g，可输出与加可输出与加速度成正比的电压也可输出占速度成正

19、比的电压也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM 脉脉冲。冲。12/20/202219 1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路 3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极）5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g；量程：量程：10g 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz；安装谐振点安装谐振点:8kHz；分辨力：分辨力：0.00004g；重量：重量：200g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm；线性误差：线性误差：1%1%12/20/2022201、测

20、量过程、测量过程 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结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，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅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。当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测试单元封装

21、在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输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，所以频率响应可达达1 1kHzkHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达1010g g 以上以上。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。器，就可以测量三维方向的振动或加速度。12/20/202

22、2212、加速度传感器在汽车中的应用、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，得的负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 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，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。托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器装有传感器的假的假人人气囊气囊12/20/202222汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度使用加速度传感器可以在传感器可以在汽车发

23、生碰撞汽车发生碰撞时，经控制系时，经控制系统使气囊迅速统使气囊迅速充气充气。12/20/202223三、湿敏电容三、湿敏电容 1、测量过程、测量过程 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器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（水的相对介电常之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为数为8080），所以电容量增大。），所以电容量增大。12/20/2022242、湿敏电

24、容模块及传感器外形、湿敏电容模块及传感器外形吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜12/20/202225多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 在野外的使用在野外的使用带带报警器的家庭使用型报警器的家庭使用型12/20/202226四、电容式液位计四、电容式液位计 1、测量过程、测量过程、棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯棒状电极（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。极与导电液体之间的电容变大。液位限位传感器与液位变送器的区别在于：液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟

25、量，而是给出开关量。当液位到它不给出模拟量，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。出为高电平的型号。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套12/20/2022272 2、液位限位传感器的设定、液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单：用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制

26、信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮12/20/202228智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作指正常工作指示灯示灯设定按钮设定按钮电源指示电源指示灯灯12/20/2022293 3、电容式油料位计：、电容式油料位计：用于水泥、化工、罐装等传用于水泥、化工、罐装等传 感器感器 静电容：静电容：检测电极为电容的一检测电极为电容的一个极，罐子的外壳为个极，罐子的外壳为电容的另一个极。第电容的另一个极。第一项是静电容一项是静电容C0C0：12/20/202230 电容式油量表电容式油量表1 1、测量过程、测量过程 当当油油箱箱中中无无油油时时，电电容容传传

27、感感器器的的电电容容量量Cx=Cx 0，调调节节匹匹配配电电容容使使C0=Cx 0，R4=R3；并并使使调调零零电电位位器器RP的的滑滑动动臂臂位位于于0点点，即即RP的的电电阻阻值值为为0。此此时时，电电桥桥满满足足Cx/C0=R4/R3的的平平衡衡条条件件，电电桥桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角=0。12/20/202231 电容式油量表电容式油量表 当当油油箱箱中中注注满满油油时时，液液位位上上升升至至h处处，Cx=Cx0+Cx，而而 Cx与与h成成正正比比，此此时时电电桥桥失失去去平平衡衡，电电桥桥的的输输出出电电压压Uo经经放

28、放大大后后驱驱动动伺伺服服电电动动机机，再再由由减减速速箱箱减减速速后后带带动动指指针针顺顺时时针针偏偏转转，同同时时带带动动RP的的滑滑动动臂臂移移动动，从从而而使使RP阻阻值值增增大大，Rc d=R3+RP也也随随之之增增大大。当当RP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，Uo=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为于是伺服电动机停转，指针停留在转角为处。处。由由于于指指针针及及可可变变电电阻阻的的滑滑动动臂臂同同时时为为伺伺服服电电动动机机所所带带动动，因因此此，RP的的阻阻值值与与 间间存存在在着着确确定定的的对对应应关关系系，即即正正比比于

29、于RP的的阻阻值值，而而RP的的阻阻值值又又正正比比于于液液位位高高度度h，因因此此可可直直接接从从刻刻度度盘盘上读得液位高度上读得液位高度h。当当油油箱箱中中的的油油位位降降低低时时，伺伺服服电电动动机机反反转转，指指针针逆逆时时针针偏偏转转（示示值值减减小小），同同时时带带动动RP的的滑滑动动臂臂移移动动，使使RP阻阻值值减减小小。当当RP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，Uo=0，于于是是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角处。处。12/20/202232 该油量表可用于飞机油箱

30、该油量表可用于飞机油箱2 2、注意事项：、注意事项：油量表系统属于闭环系统，注意邮箱倾斜时，油油量表系统属于闭环系统，注意邮箱倾斜时，油量表示数不准量表示数不准12/20/202233六、电容式接近开关六、电容式接近开关 1、电容式接近开关结构电容式接近开关结构 电容式接近开关的核心是以单个极板作为检测端的电电容式接近开关的核心是以单个极板作为检测端的电容器，检测极板设置在接近开关的最前端。测量转换电路容器，检测极板设置在接近开关的最前端。测量转换电路安装在接近开关壳体内，并用介质损耗很小的环氧树脂充安装在接近开关壳体内，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。填、灌封。xC CU UUoUoL

31、C振振荡荡电电路路振振荡荡器器直流直流电压电压放大放大器器被测被测物体物体检测检测极板极板12/20/202234工作原理工作原理 电容式接近开关的核心是以单个极板作为检测端的电电容式接近开关的核心是以单个极板作为检测端的电容器，检测极板设置在接近开关的最前端。测量转换电路容器，检测极板设置在接近开关的最前端。测量转换电路安装在接近开关壳体内，并用介质损耗很小的环氧树脂充安装在接近开关壳体内，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。填、灌封。被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、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）含水的物体（例如饲料、人体等）；可

32、以是接地的，也可；可以是接地的，也可以是不接地的。以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，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。可以根据被测物不同来改变动作距离。对金属物体而言，选用电涡流接近开关，也叫电感接对金属物体而言，选用电涡流接近开关，也叫电感接近开关近开关；测量绝缘物体时选用电容接近开关测量绝缘物体时选用电容接近开关。12/20/2022352、电容式接近开关外形、电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式非齐平式安装时，非齐平式安装时，传感器高于安装支传感器高于安装支架，易损坏。架，易损坏。12/20/2022363 3、电容接近开关的

33、规格、电容接近开关的规格输出输出方式方式NNPNPPNPAACU防爆防爆G模拟模拟O常开常开C常闭常闭S常开及常闭常开及常闭I电流输出电流输出V电压输出电压输出外接线外接线2二线二线3三线三线4四线四线C 带插座带插座工作电压工作电压范围范围A 1030V标准电压范围标准电压范围B 536VC 1055V电缆长度电缆长度2m标准电缆长度标准电缆长度5m9m12/20/2022374 4、电容式接近开关在液位测量控制中的使用、电容式接近开关在液位测量控制中的使用12/20/202238电容式接近开关在物位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示演示12/20/202239不同材料

34、的非金属检测物对电容式接近开不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响关动作距离的影响材料材料纯纯净净水水酒酒精精玻璃玻璃木材木材纸纸橡皮橡皮石英石英晶体晶体尼龙尼龙动作距动作距离离（%）1008540205020 3520 3520 4020结论：电容接近开关对绝缘物体作用明显结论：电容接近开关对绝缘物体作用明显12/20/202240第四节第四节 压力和流量的测量压力和流量的测量 一、压力的基本概念一、压力的基本概念 压力的国际单位是牛顿，简称（压力的国际单位是牛顿，简称（N），），在检测在检测领域，常将压强的检测叫做压力检测领域，常将压强的检测叫做压力检测 压强的国际压强的国际

35、单位为单位为“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”（Pa）。）。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如量单位。如“工程大气压工程大气压”、“标准大气压标准大气压”、“毫米汞柱毫米汞柱”，气象学中还用，气象学中还用“巴巴”（bar）和和“托托”为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。可能还会见到。12/20/202241 压力又分绝对压力和相对压力。相对压力又分压力又分绝对压力和相对压力。相对压力又分差压和表压。测量压力的传感器分为绝对压力传感差压和表压。测量压力的传感器分为绝对压力传感器

36、、差压传感器、表压传感器。器、差压传感器、表压传感器。绝对压力传感器：它所测得的压力数值是相对绝对压力传感器：它所测得的压力数值是相对于密封在绝对压力传感器内部的基准真空而言的。于密封在绝对压力传感器内部的基准真空而言的。差压传感器：两个压力之差。差压传感器：两个压力之差。表压传感器：它以环境大气压为参考基准，将表压传感器：它以环境大气压为参考基准，将差压传感器一侧向大气敞开，形成表压传感器。差压传感器一侧向大气敞开，形成表压传感器。12/20/202242二、电容式差压变送器二、电容式差压变送器1 1、外形、外形 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不

37、锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置12/20/202243各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 12/20/202244各种电容式压力变送器外形各种电容式压力变送器外形 （参考（参考丹东长丹东长隆自控有限公隆自控有限公司司资料）资料）12/20/2022452 2、电容式差压变送器内部结构、电容式差压变送器内部结构 1 1高压侧进气口高压侧进气口 2 2低压侧进气口低压侧进气口 3 3过滤片过滤片 4 4空腔空腔 5 5柔性不锈钢波纹隔柔性不锈钢波纹隔 离膜片离膜片 6 6导压硅油导压硅油 7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9 9弹性平膜片弹性平膜片

38、 1010 腔腔12/20/20224612/20/202247 3、工作过程：工作过程：当当两两室室分分别别承承受受低低压压（PLPL）和和高高压压（PHPH）时时，硅硅油油能能 将压差传递到测量膜片，将压差传递到测量膜片，当当PH=PLPH=PL时，膜片处于中间位置，时，膜片处于中间位置，C1=C2C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：当有差压作用时，测量膜片产生形变：PH PLPH PL时，膜片时，膜片PLPL向弯曲，向弯曲，C1C2C1C2，PH PL PH C2C1C2；将这种电容变化通过电路转换为电压变化将这种电容变化通过电路转换为电压变化 12/20/202248电容差压

39、变送器用于测量液电容差压变送器用于测量液体的液位体的液位 投入式水位计投入式水位计12/20/202249四、流量的基本概念四、流量的基本概念 体积流量体积流量qV=Av，单位为单位为m3/h或或L/s；质量流量质量流量qm=Av，单位为单位为t/h或或kg/s。例：设测得流速例：设测得流速v=10m/s，圆管道的圆管道的直径直径r=1m，则截面积则截面积A=0.79m2，流流量量qV V=7.9m3/s。12/20/202250节流式流量计及电容差压变送器在流量测量节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用中的应用 测量流量的方法很多，有流速法、容积法、测量流量的方法很多，有流速法、容积

40、法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡质量法、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较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。式流量计。12/20/202251叶轮式风流速叶轮式风流速流量计流量计 （参考北京

41、北方大河仪器仪表（参考北京北方大河仪器仪表 有限公司资料）有限公司资料）12/20/202252玻璃转子流玻璃转子流量计量计流体入口流体入口流体出口流体出口转子转子12/20/202253 差压节流式流量计差压节流式流量计 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，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。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

42、流体后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度的温度t、压力压力p1变化时，流体的密度将随之改变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温度、压力修正。变。所以必须进行温度、压力修正。12/20/202254节流装置节流装置（取压管及内取压管及内部的节流孔板）部的节流孔板）节流孔板节流孔板后取压管后取压管 前取压管前取压管流体通过节流体通过节流孔板时，流孔板时，流速加快，流速加快，后取压管处后取压管处的压力减小。的压力减小。12/20/202255节流装置外形节流装置外形节流孔板节流孔板后取压管后取压管 12/20/202256流体流经节流孔板时，流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况压

43、力和流速的变化情况 节流孔板节流孔板流速变快，流速变快，压力变小压力变小 12/20/202257节流装置的另一种形式节流装置的另一种形式文丘里管或文文丘里管或文丘里喷嘴丘里喷嘴 文丘里喷嘴的文丘里喷嘴的压力损失较小。压力损失较小。流体入口流体入口狭窄部位狭窄部位12/20/202258文丘里喷嘴原理示意图文丘里喷嘴原理示意图 文丘里喷嘴结构图文丘里喷嘴结构图文丘里喷嘴在文丘里喷嘴在管道中的位置管道中的位置前取压口前取压口 后取压口后取压口 12/20/202259导压管的配置导压管的配置 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

44、压变送器的导压管的压孔取出的。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。杂在液体中的气体影响取压。12/20/202260导压管配置图导压管配置图12/20/202261节流式流量计外形节流式流量计外形12/20/202262 本章小结本章小结1 1、电容传感器的类型及工作原理掌握差动电、电容传感器的类型及工作原理掌握差动电 容传感器的工作原理。容传感器的工作原理。2 2、电容传感器的灵敏度及输出特性、电容传感器的灵敏度及输出特性3 3、电容传感器的测量转换电路掌握调频式测、电容传感器的测量转换电路掌握调频式测 量转换电路量转换电路4 4、电容传感器的应用掌握物料计的工作。、电容传感器的应用掌握物料计的工作。12/20/20226312/20/202264