检测课件(第五章)2013-3-19

1、第五章第五章 电容传感器电容传感器本章介绍电容传感器的分类、结构、基本章介绍电容传感器的分类、结构、基本原理及应用，本原理及应用，重点介绍重点介绍FM调频电路调频电路。还介绍还介绍硅微机械加工技术硅微机械加工技术制作的摆式硅微制作的摆式硅微电容加速度传感器，电容加速度传感器，电容接近开关电容接近开关，以及，以及压力、液位、流量压力、液位、流量的基本概念，测量方法的基本概念，测量方法等。等。5.1 电容传感器工作原理及结构形式电容传感器工作原理及结构形式5.2 电容传感器的测量转换电路电容传感器的测量转换电路5.3 电容传感器的应用电容传感器的应用5.4 压力、液位和流量的测量压力、液位和流量的

2、测量 第五章第五章 电容传感器电容传感器 目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入第一节第一节 电容式传感器的电容式传感器的工作原理及结构形式工作原理及结构形式电容传感器以各种类型的电容器作为传感器电容传感器以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测物理量转换为电容量的变化，再元件，将被测物理量转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。经测量转换电路转换为电压、电流或频率。电容传感器具有如下优点：电容传感器具有如下优点：（1）可获得可获得100%以上的相对变化量以上的相对变化量 。（2）能在恶劣的环境条件下工作。）能在恶劣的环境条件下工作。（3）所需的激励源功率小所需的激励源功

3、率小，本身发热问题可，本身发热问题可不予考虑。不予考虑。（4）动态响应比电感传感器快动态响应比电感传感器快。电容器在收音机中的应用电容器在收音机中的应用并联在收音机并联在收音机LC谐振电路的电感两端的电容谐振电路的电感两端的电容量越大，所接收到的电台的频率就越低。量越大，所接收到的电台的频率就越低。电容器在收音机中，用于改变谐振频率，电容器在收音机中，用于改变谐振频率，从而调整所要接收的电台。从而调整所要接收的电台。变容二极管在收音机中的应用变容二极管在收音机中的应用并联在变容二极管两端的反向偏置电压越大，并联在变容二极管两端的反向偏置电压越大，PN结结就越厚，上下极板（就越厚，上下极板（P极

4、和极和N极）的极）的“间距间距”就越大，就越大，等效电容就越小，收音机谐振电路的频率就越低。等效电容就越小，收音机谐振电路的频率就越低。第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式电容传感器的工作原理可以用平板电容器来电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为说明。当忽略边缘效应时，其电容为式中式中 A两极板相互遮盖的有效面积（两极板相互遮盖的有效面积（m2）；）；d两极板间的距离，也称为极距（两极板间的距离，也称为极距（m）；）； 两极板间介质的介电常数（两极板间介质的介电常数（F/m）；）；r两极板间介质的相对介电常数；两极板间

5、介质的相对介电常数；0真空介电常数真空介电常数,0=8.85 10-12(F/m)0rAACdd 电容器的边缘效应电容器的边缘效应理想电容器的理想电容器的电场线是直线电场线是直线,而实际电容器只而实际电容器只有中间区域是直线有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时，基板面积较小时，将引起测量误差将引起测量误差。 三种类型的电容传感器三种类型的电容传感器在在A、d、三个参量中，改变其中任意一个三个参量中，改变其中任意一个量，均可

6、使电容量，均可使电容C 改变改变。也就是说，电容。也就是说，电容C 是是A、d、的函数，这就是电容传感器的基本工作原的函数，这就是电容传感器的基本工作原理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下三种类型的电容传感器：三种类型的电容传感器：变面积式电容传感器变面积式电容传感器、变极距式电容传感器变极距式电容传感器 、变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器。一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器CCCd0A xxd01定极板定极板 2动极板动极板 3外圆筒外圆筒 4内圆筒内圆筒 5导轨导轨 6测杆测杆 7被测物被测物 8水平基准水平基准变面积式电容

7、传感器简析变面积式电容传感器简析图图a是是平板形直线位移式结构平板形直线位移式结构，其中极板，其中极板1可以左右可以左右移动，称为动极板。极板移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。固定不动，称为定极板。图图b b是是同心圆筒同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。平行板形变面积式电容传感器的容量变化平行板形变面积式电容传感器的容量变化设两极板原来的遮盖长度为设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为，极板宽度为b，极距固定为极距固定为d0，当动极板随被测物体向左移动，当动极板随被测物体向左移动

8、x后，两极板的遮盖面积后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之将减小，电容也随之减小，电容减小，电容Cx 为为式中式中 C0初始电容值初始电容值在变面积电容传感器中，在变面积电容传感器中，电容电容Cx与直线位移与直线位移x成正比成正比。0000(a)1 xbxxCCda000a bCd角位移式的结构角位移式的结构1-1-动极板动极板 2-2-定极板定极板极板极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，度时，两极板的遮盖面积两极板的遮盖面积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。保持极距保持极距d0不变不变C角位移角位移A圆筒

9、形直线位移传感器圆筒形直线位移传感器外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设内圆筒的设内圆筒的外半径外半径、外圆筒的、外圆筒的内半径内半径分别为分别为R和和r，两，两者原来的遮盖长度为者原来的遮盖长度为h0，电容量与位移成正比：，电容量与位移成正比：00021 ln/xhxxCCR rhCxAA变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的输出特性在变面积式电容传感器的输出特性在一小段范一小段范围围内是线性的内是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器，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

10、。多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。CAA1-实际特性实际特性 2-理论特性理论特性二、变极距式电容传感器二、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变了两极板之间的距离d d，从而使电容量发，从而使电容量发生变化。生变化。 实际使用时，总是使实际使用时，总是使初始极距初始极距d0尽量小尽量小些些，以，以提高灵敏度提高灵敏度，但这也带来了变极距，但这也带来了变极距式电容器的式电容器的行程较小的缺点行程较小的缺点。变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，从图中可以看到，为了提高灵敏度，

11、应使为了提高灵敏度，应使d d0 0小一小一些为好些为好，但行程变小（动静极板接触）但行程变小（动静极板接触）。 a） 结构示意图结构示意图 b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系1定极板定极板 2动极板动极板 3 3弹性膜片弹性膜片变极距式电容传感器的特性及灵敏度变极距式电容传感器的特性及灵敏度 设初始极距为设初始极距为d0，当动极板向上位移时，极板，当动极板向上位移时，极板间距减小了间距减小了x值后，其电容变大。设，则有值后，其电容变大。设，则有电容电容Cx与位移与位移x不是线性关系，其灵敏度不是线性关系，其灵敏度Kx不为常数：不为常数：20dd()xxCAKxdx 0001

12、xAxCCdxdx差动式电容传感器差动式电容传感器 a a）差动变极距式）差动变极距式 b b）差动变面积式）差动变面积式 1 1动极板动极板 2 2定极板定极板差动电容传感器的灵差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算误差还可以进一步用计算机来计算修正机来计算修正 。差动式电容传感器特性曲线差动式电容传感器特性曲线1-上面的电容特性上面的电容特性 2-下面的电容特性下面的电容

13、特性 3-差动特性差动特性线性好，灵敏度高线性好，灵敏度高 A1A2C1C21-上、下外电极引线上、下外电极引线 2-接地电极接地电极三、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器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。不同。几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，越大，电容电容C也就越大。也就越大。C等效于空气所引起的电容等效于空气所

14、引起的电容C1和被测和被测介质所引起的电容介质所引起的电容C2的并联的并联式中式中 C1空气介质引起的等效电容；空气介质引起的等效电容；C2被测介质引起的等效电容；被测介质引起的等效电容；介质的厚度；介质的厚度； d极距极距00012111/1/1/1/rrACAACCdd 磁粉 制动器励磁信号电动机张力信号张力传感器张力传感器信号处理器厚度信号绝缘薄膜张力及厚度测量系统绝缘薄膜张力及厚度测量系统拉力拉力上下极板上下极板变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当介质介质厚度厚度保持不变保持不变、而、

15、而相对介电常数相对介电常数r改变改变时，该电容器时，该电容器可作为相对介电常数可作为相对介电常数r的测试仪器的测试仪器。又如，。又如，当空气湿当空气湿度变化，介质吸入潮气（度变化，介质吸入潮气（r水水=80）时，电容将发生较）时，电容将发生较大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感器器。反之，。反之，若若r不变，则可作为检测介质厚度的传感不变，则可作为检测介质厚度的传感器器。变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，越大，电容电容C也就越大。

16、也就越大。C等效于空气所引起的电容等效于空气所引起的电容C1和被和被测介质所引起的电容测介质所引起的电容C2的的串联：串联：式中：式中：C1空气介质引起的等效电容；空气介质引起的等效电容；C2被测介质引起的等效电容；被测介质引起的等效电容； 介质的厚度；介质的厚度；d极距极距00012111/1/1/1/rrACAACCdd 电容式液位计电容式液位计( (可以理解为变面积或变介电原理可以理解为变面积或变介电原理) )a)同轴内外金属管式同轴内外金属管式 b)金属管外套聚四氟金属管外套聚四氟乙烯套管式乙烯套管式 c)带底座的电容液位带底座的电容液位传感器的结构传感器的结构1内圆筒内圆筒 2外圆筒

17、外圆筒 3被测绝缘液体被测绝缘液体 4被测导电液体被测导电液体5聚四氟乙烯套管聚四氟乙烯套管 6顶盖顶盖 7绝缘底绝缘底座座 8信号传输屏信号传输屏蔽电缆蔽电缆电容电容Ch与液面高度与液面高度h(从管状电极底部算起从管状电极底部算起)的关系式为的关系式为式中式中 h 1:电容器极板高度；电容器极板高度；r：内圆管状电极的外半径；：内圆管状电极的外半径；R：外圆管状电极的内半径；：外圆管状电极的内半径；h：不考虑安装高度时的液：不考虑安装高度时的液位位;0：真空介电常数（空气的介电常数与之相近）；：真空介电常数（空气的介电常数与之相近）；r1：被测液体的相对介电常数；：被测液体的相对介电常数；1

18、：被测液体的介电常数；：被测液体的介电常数；1=r10。101101 001122ln/ln/222 1 ln/ln/ln/hrhhhCCCR rR rhhhhR rR rR r 空液（5-11）变面积式电容式液位计（导电液体）变面积式电容式液位计（导电液体）棒状电极（不锈钢金属管）棒状电极（不锈钢金属管）外面包裹聚外面包裹聚四氟乙烯套管四氟乙烯套管，不锈钢金属管的下半部分，不锈钢金属管的下半部分与导电液体之间构成电容，两者之间的介与导电液体之间构成电容，两者之间的介质就是聚四氟乙烯薄层。质就是聚四氟乙烯薄层。当被测液体的液面上升时，引起当被测液体的液面上升时，引起棒状电棒状电极与导电液体之间

19、有效高度增大。由于聚极与导电液体之间有效高度增大。由于聚四氟乙烯的介电常数是空气的四氟乙烯的介电常数是空气的2倍，所以电倍，所以电容变大容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套第二节第二节 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常见的有常见的有变压器桥式电路变压器桥式电路、双双T电桥电路电桥电路、脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路、FM调频电路调频电路等。等。FM调频电路调频电路调频电路是调频电路是将电容传感器作为将电容传感器作为LC振荡器谐振荡器谐振回路的一部分振回路的一部分，当电容，当电容Cx变大时，振荡器的变大时，振荡器的频率频率f 变低。由于振荡器的频率受电容传感器变低。由于

20、振荡器的频率受电容传感器的调制，实现的调制，实现C /f 的变换。的变换。回目录回目录调频（调频（FM）电路）电路TTL电平的高电平和低电平电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？电压范围分别是多少伏？ 电容式传感器的调频电路与电涡流传感器电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的的调频电路调频电路有何区别？上式中有何区别？上式中哪个量是变量哪个量是变量？脉冲调制脉冲调制电路电路利用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行利用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行控制，在电路的输出端得到一系列按一定规律变化的、控制，在电路的输出端得到一系列按一定规律变化的、幅值相等，宽度不相等的脉冲。幅值相等

21、，宽度不相等的脉冲。脉冲调制脉冲调制电路分析电路分析当双稳态触发器的当双稳态触发器的Q端输出为高电平时，端输出为高电平时，A点通过点通过R1对对C1充电充电，F点电位逐渐升高。在点电位逐渐升高。在Q端为高电平期间，端为高电平期间，Q端为低电平，电容端为低电平，电容C2通过低内阻的二极管通过低内阻的二极管VD2迅速迅速放电放电，G点电位被钳制在低电平。点电位被钳制在低电平。当当F点电位升高超过点电位升高超过参考电压参考电压UR时，比较器时，比较器A1产生一个产生一个“置零脉冲置零脉冲”，触，触发双稳态触发器翻转，发双稳态触发器翻转，A点跳变为低电位，点跳变为低电位，B点跳变为点跳变为高电位。此时

22、高电位。此时C1经二极管经二极管VD1迅速放电，迅速放电，F点被钳制在点被钳制在低电平，而同时低电平，而同时B点高电位经点高电位经R2向向C2充电。充电。当当G点电位点电位超过超过UR时，比较器时，比较器A2产生一个产生一个“置置1脉冲脉冲”，使触发使触发器再次翻转，器再次翻转，A点恢复为高电位，点恢复为高电位，B点恢复为低电位点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受一个宽度受C1、C2调制的脉冲波形。调制的脉冲波形。当当C1C2时，时，t1t2，经低通滤波器后，获得的输出电压平均值经低通滤波器后，获得的输出电压平均

23、值Uo为正值为正值。脉冲调制脉冲调制电路的输出波形电路的输出波形a）C1=C2时的波形时的波形 b）C1C2时的波形时的波形二极管双二极管双T形交流电桥电路形交流电桥电路 Ui是频率为是频率为f的高频激励电源的高频激励电源(约约1MHz)，它提供了，它提供了幅值对称的方波。幅值对称的方波。VD1、VD2为特性完全相同的两只为特性完全相同的两只二极管二极管,固定电阻固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差为传感器的两个差动电容，初始值动电容，初始值C1=C2 。 在在Ui为正半周时，为正半周时，VD1导通、导通、VD2截止，截止，于是电容于是电容C1快速充电快速充电到到Ui的幅值的幅值

24、，有电流有电流i1流过流过RL。 在随后的在随后的负半周期间，负半周期间，VD1截止、截止、VD2导通，于是电导通，于是电容容C2快速充电到快速充电到Ui的幅值的幅值,而电容而电容C1放电放电。有电流。有电流i2逆逆向流过向流过RL。二极管双二极管双T形交流电桥电路分析形交流电桥电路分析 在初始状态，由于在初始状态，由于C1=C2，所以电流，所以电流i1=i2，且方向相，且方向相反，反，在一个周期内流过在一个周期内流过RL的平均电流的平均电流IL=0。 若差动电容传感器的若差动电容传感器的C1C2，则，则i1i2。在一个周期内在一个周期内流过流过RL的平均电流的平均电流IL就不为零就不为零，输

25、出电压，输出电压Uo在一个周期内平均值为在一个周期内平均值为当当为常数时，有：为常数时，有： 输出电压输出电压Uo与双与双T形电桥电路中的电容形电桥电路中的电容C1和和C2的差值的差值成正比成正比。 oLLL120LLi122L1 ( )( )d(2)()()TUR IRi ti ttTR RRR U f CCRRoi12T()UU f M CCK CLL2L(2)()R RRRMRR二极管双二极管双T形交流电桥电路特点形交流电桥电路特点电路的灵敏度电路的灵敏度KT与激励电源电压幅值与激励电源电压幅值Ui以及频率以及频率f有有关关，故对激励电源稳定型要求较高。，故对激励电源稳定型要求较高。选取

26、选取Ui的幅值高的幅值高于二极管死区电压的于二极管死区电压的10倍以上倍以上，可使二极管，可使二极管VD1、VD2工作在线性区域。工作在线性区域。R1、R2及及RL的取值范围为的取值范围为10100k。可以可以在在RL之后设置低通滤波器，能获得平稳的直流输之后设置低通滤波器，能获得平稳的直流输出电压出电压。双双T形电桥电路具有以下特点：形电桥电路具有以下特点：电路较为简单；差动电容传感器、信号源、负电路较为简单；差动电容传感器、信号源、负载载有一个公共的接地点，不易受干扰；有一个公共的接地点，不易受干扰；VD1和和VD2工工作在伏安特性的线性段，死区电压影响较小；作在伏安特性的线性段，死区电压

27、影响较小；输出输出信号为幅值较高的直流电压。信号为幅值较高的直流电压。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：电容器的容量受三个因素影响，即：极极距距 x、相对面积相对面积 A 和和极间介电常数极间介电常数 。固定固定其中两个变其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变量就是另一个变量的一元函数的一元函数。只要想办法将被测非电量转换。只要想办法将被测非电量转换成成极距或者面积、介电常数的变化极距或者面积、介电常数的变化，就可以，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。测的目的。 回目录回目录电

28、容式液位限位传感器电容式液位限位传感器棒状电极（金属管）外面包裹聚四棒状电极（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时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。电容变大。液位限位传感器与液位变送器的区液位限位传感器与液位变送器的区别别在于：它在于：它不给出模拟量不给出模拟量，而是，而是给出给出开关量开关量。当液位到达设定值时，它输。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出低电平。但也可以选择输出为高电平的系列。平的系列。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能化液位传

29、感器的设定方智能化液位传感器的设定方法：法： 用手指压住设定按钮，当液用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮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正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯电容加速度传感器电容加速度传感器微电子机械系统（微电子机械系统（MEMS）技术）技术可以将一块多晶硅可以将一块多晶硅加工成多层结构，制作加工

30、成多层结构，制作“三明治三明治”摆式硅微电容加速摆式硅微电容加速度传感器。度传感器。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容成差动电容C1、C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片，左左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。它的核心部分。它的核心部分可以小于可以小于3mm左右，与测量转换电路一起封装在贴左右，与测量转换电路一起封装在贴片片IC封装中。工作电压为封装中。工作电压为2.75V，加速度测量范围为，加速度测量范

31、围为几十个几十个g，可输出与加速度成正比的电压。，可输出与加速度成正比的电压。“三明治三明治”摆式硅微电容加速度传感器结构摆式硅微电容加速度传感器结构1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号调理单元信号调理单元 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） a）贴片）贴片封装外形封装外形 b）“三三明治明治”多多晶硅多层晶硅多层结构结构 c）加速）加速度测试单度测试单元的工作元的工作原理原理硅微加工三轴加速度传感器硅微加工三轴加速度传感器 如果在壳体内的三个相互垂直如果在壳体内的三个相互垂直方

32、向安装三个加速度传感器，就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可以测量三维方向的振动或加速度。度。 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% 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 当测得的当测得的负加速度值超过设定值时负加速度值超过设定值时，气囊电控单元，气囊电控单元据此判断发生了碰撞，就据此判断发生了碰撞，就启动

33、轿车前部的折叠式安全启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。和头部。 装有多种装有多种碰撞参数测碰撞参数测量传感器的量传感器的假人假人气囊气囊汽车气囊的膨胀状态汽车气囊的膨胀状态使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控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制系统使气囊迅速充气 。如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，侧面气囊膨胀。侧面气囊膨胀。 汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用测试假人湿敏电容湿敏电容 利用具有很大吸湿性

34、的绝缘材料作为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。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大为增加（水的相对介电常数为8080），所以电），所以电容量增大。容量增大。 湿敏电容湿敏电容 a）内部结构）内部结构 b）电容和漏电阻的湿度特性）电容和漏电阻的湿度特性 c）封装后的外形）封装后的外形1铝电极铝电极 2单晶硅基底单晶硅基底 3SiO2 绝缘膜绝缘膜 4多孔多孔

35、Au电极电极5吸湿层吸湿层Al2O3 6引线引线 7电容与相对湿度的关系曲线电容与相对湿度的关系曲线 8漏电阻与相对湿度的关系曲线漏电阻与相对湿度的关系曲线湿敏电容湿敏电容外形及内部结构外形及内部结构内部的吸水内部的吸水高分子薄膜高分子薄膜信号调理电路信号调理电路湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用在野外的使用带报警器的家庭使用型带报警器的家庭使用型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 电容式油量表电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表： 在油箱内，装有在油箱内，装有类似卫生间水箱里类似卫生间水箱

36、里的浮球，通过杠杆的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表电位器，由电流表指示出油量。指示出油量。2022-6-853电接点水位计电接点水位计 由测量筒、电极、由测量筒、电极、电缆、显示器等组成电缆、显示器等组成。电极是检测水电极是检测水/ /汽的汽的探头探头，采用特种不锈，采用特种不锈钢制造，绝缘体使用钢制造，绝缘体使用高纯度陶瓷，陶瓷和高纯度陶瓷，陶瓷和金属本体之间的压力金属本体之间的压力密封采用真空焊接工密封采用真空焊接工艺。艺。锅炉中的水面以锅炉中的水面以下的电极输出低电平下的电极输出低电平，以上为高电平以上为高电平，采用采用中频激励中频激励。接接24芯芯电缆电

37、缆电接点电极电接点电极电容式油量表电容式油量表当油箱中无油时，电容传感器的电容当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx 0为最小值。为最小值。此时应使电桥输出为零。油量表调零过程如下：首先此时应使电桥输出为零。油量表调零过程如下：首先断开减速箱与断开减速箱与RP的机械连接，将的机械连接，将RP人为地调到零，即：人为地调到零，即：电位器电位器RP的滑动臂位于的滑动臂位于0点。此时点。此时R3=R4。再调节半可。再调节半可变电容变电容C0，使，使C0=Cx 0，；此时，电桥满足：，；此时，电桥满足：Cx04C03XRXRx004x0301212fCCRCRfC或：或：电容式油量表示意图电容式油量表示意

38、图1油箱油箱 2圆柱形电容器圆柱形电容器 3伺服电动机伺服电动机 4减速减速箱箱 5油量表油量表2022-6-856电容式油量表示意图电容式油量表示意图当油箱中注入油，液位上升至当油箱中注入油，液位上升至h处，处，Cx=Cx0+Cx，Cx与与h成正比。此时电桥失去平衡，电桥的输出电压成正比。此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Ubdo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后，带经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后，带动指针顺时针偏转，同时带动动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂向的滑动臂向c点移动，点移动，从而使从而使RP的阻值增大的阻值增大，Rcd =R3+RRP也随之增大也随之增大。当。

39、当RP阻值达到一定值时阻值达到一定值时，(Cx0+Cx)/C0=(R3+RRP)/R4，电桥，电桥又达到新的平衡状态又达到新的平衡状态，Ubdo再次等于零，于是伺服电动再次等于零，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为机停转，指针停留在转角为max处。处。当油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，当油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动同时带动RP的滑动臂移动的滑动臂移动,使使RP阻值减小。当阻值减小。当RP阻值阻值达到某一数值时达到某一数值时,电桥又达到新的平衡状态，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于，于是伺服电动机再次停转是伺服电动机再次停转,指针停留在与该液位相对应的指

40、针停留在与该液位相对应的转角转角处。处。该装置采用了闭环零位式测量方法该装置采用了闭环零位式测量方法。电容式油量表可工作在电容式油量表可工作在3030倾斜状态倾斜状态电容式接近开关电容式接近开关 被检测物体可以是被检测物体可以是导电体、介质损耗较大导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体（例如饲料、人体等等) ；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。 调节接调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物的性质，来改变测物的性质，来改变动作距离动作距离。 电容式接近开关电容式接近开关 1被测物

41、被测物 2上检测极板（或内圆电极）上检测极板（或内圆电极） 3下检测极板（或外圆电极）下检测极板（或外圆电极） 4充填树脂充填树脂 5测量转换电路板测量转换电路板 6塑料外壳塑料外壳 7灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器RP 8动作指示灯动作指示灯 9电缆电缆 UR比较器的基准电压比较器的基准电压电容接近开关的工作原理电容接近开关的工作原理电容接近开关的感应板由两个同心圆金属平面电极电容接近开关的感应板由两个同心圆金属平面电极构成。构成。当没有被测物体靠近电容接近开关时，由于当没有被测物体靠近电容接近开关时，由于C1与与C2很小，很小，RC振荡器停振。当被测物体朝着电容接近开关振荡器停振。当被测

42、物体朝着电容接近开关的两个同心圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成的两个同心圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成电容电容C，接到，接到RC振荡回路中，等效电容振荡回路中，等效电容C等于等于C1、C2的串联结果。的串联结果。电容接近开关的工作原理（续）电容接近开关的工作原理（续）当当C增大到设定数值后，增大到设定数值后，RC振荡器起振振荡器起振。振。振荡器的荡器的高频输出电压高频输出电压uo经二极管检波和低通滤经二极管检波和低通滤波器，得到正半周的平均值波器，得到正半周的平均值。再经直流电压放。再经直流电压放大电路放大后，大电路放大后，Uo1与灵敏度调节电位器与灵敏度调节电位器RP设设定的基准电

43、压定的基准电压UR进行比较进行比较。若若Uo1超过基准电压超过基准电压时时,比较器翻转比较器翻转,输出动作信号输出动作信号(高电平或低电平高电平或低电平),从而起到了检测有无物体靠近的目的。从而起到了检测有无物体靠近的目的。电容接近开关的调试电容接近开关的调试接近开关的输出有接近开关的输出有NPN、PNP和和AC两线制两线制等多种型等多种型式。式。Rf在比较器电路中起正反馈作用，使比较器具有在比较器电路中起正反馈作用，使比较器具有施密特特性施密特特性。Rf越小，翻转时的回差就越大，抗干扰能力就越强，越小，翻转时的回差就越大，抗干扰能力就越强，通常将通常将回差控制在动作距离的回差控制在动作距离的

44、20%之内之内。比较器之后设置了比较器之后设置了OC门输出级电路，有较大的负载门输出级电路，有较大的负载能力。通常可以驱动能力。通常可以驱动100mA的感性负载，或的感性负载，或300mA的的阻性负载阻性负载。当被测物是导电物体时，即使两者的距离较远，但当被测物是导电物体时，即使两者的距离较远，但等效电容等效电容C仍较大，仍较大，RC回路较容易起振，所以灵敏度回路较容易起振，所以灵敏度较高较高。物体的含水量越小，面积越小，动作距离也越物体的含水量越小，面积越小，动作距离也越小，灵敏度就越低小，灵敏度就越低。大多数电容接近开关的大多数电容接近开关的尾部有一个多圈微调电位器尾部有一个多圈微调电位器

45、RP，用于调整特定对象的动作距离，用于调整特定对象的动作距离。 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非齐平式接近开关的安装接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。支架，易损坏。全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）电容接近开关的规格电容接近开关的规格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电容式接近开关电容式接近开关在在液位物位测量液位物位测量控制中的使用控制中的使用对应的对应的光柱显示光柱显示 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

46、控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示使用演示不同材料的非金属检测物对电容式接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近开关动作距离的影响第四节第四节 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 压力的国际单位为压力的国际单位为“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”（Pa），用），用p表示。它等于表示。它等于垂直作用于一定面积垂直作用于一定面积A上的力上的力F（称为压向力）除以面积（称为压向力）除以面积A，即，即 p=F/A。 除此之外，工程界长期使用许多不同的压力除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位

47、。如计量单位。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。明书上可能还会见到。 回目录回目录压力单位转换对照表压力单位转换对照表 压力传感器的分类压力传感器的分类（1）绝对压力传感器绝对压力传感器 它所测得的它所测得的压力数值是相对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（相当于零于密封在绝对压力传感器内部的基准真空（相当于零压力参考点）而言的，是以真空为起点的压力压力参考点）而言的，是以真空为起点的压力

48、。平常。平常所说的环境大气压为某某千帕就是指绝对压力。所说的环境大气压为某某千帕就是指绝对压力。当绝当绝对压力小于对压力小于101kPa时，可以认为是时，可以认为是“负压负压”，所测得，所测得压力相当于真空度压力相当于真空度。（2）差压传感器差压传感器 差压是指两个压力差压是指两个压力p1和和p2之差之差，又，又称为称为压力差压力差。当差压表两侧面均向大气敞开时，差压当差压表两侧面均向大气敞开时，差压等于零等于零。例：例：p1=0.81.1MPa，p2=0.91.0MPa，必须选择测，必须选择测量范围为量范围为- -0.10.2MPa的差压传感器。的差压传感器。压力传感器的分类（续）压力传感器

49、的分类（续） （3）压力传感器压力传感器 压力传感器显示的压力为压力传感器显示的压力为“表表压压”。表压测量是差压测量的特殊情况。测量时，。表压测量是差压测量的特殊情况。测量时，以以环境大气压为参考基准环境大气压为参考基准，将差压传感器的一侧向大气，将差压传感器的一侧向大气敞开，就转变成表压传感器。敞开，就转变成表压传感器。表压传感器的输出为零表压传感器的输出为零时，其膜片两侧实际上均存在一个大气压的绝对压力时，其膜片两侧实际上均存在一个大气压的绝对压力。二、电容式差压变送器二、电容式差压变送器 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电子线路线路位置位置内部不锈钢膜片的位置内部不

50、锈钢膜片的位置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柔性不锈钢波纹隔离柔性不锈钢波纹隔离膜片膜片 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（定极镀金凹形电极（定极板）板） 9 9弹性平膜片弹性平膜片 1010腔腔1111铝合金外壳铝合金外壳 1212限位波纹盘限位波纹盘 1313过压保护悬浮波纹过压保护悬浮波纹膜片膜片 1414公共参考端（地电公共参考端（地电位）位）各种电容式差各种电容式差压变送器外形压变送器外形 P1P2各种电容式压力变送器外

51、形（续）各种电容式压力变送器外形（续） 法兰法兰各种电容式压力、差压变送器外形各种电容式压力、差压变送器外形 p1p2三、利用电容差压变送器三、利用电容差压变送器测量液体的液位测量液体的液位 差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内的压力施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比与液位成正比p = g h2022-6-882利用电容差压变送器测量液体的液位利用电容差压变送器测量液体的液位 1储液罐储液罐 2液面液面 3上部空间上部空间 4高压侧管道高压侧管道 5电容差压电容差压 变送器变送器 6低压侧管道低压侧管道p1 = p0 + g h1p= p1-p2= g(h-h0)p电容差压变送器用于测量电

52、容差压变送器用于测量液体的液位测量液体的液位测量 投入式水位传感器投入式水位传感器流量的基本概念流量的基本概念流量（流量（Flow）是指）是指流体在单位时间内通过某一截面流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数的体积数或质量数，分别称为，分别称为体积流量体积流量qV和和质量流量质量流量qm。这种。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量单位时间内的流量统称为瞬时流量q。把瞬把瞬时流量对时间时流量对时间t进行积分，求出累计体积或累计质量的进行积分，求出累计体积或累计质量的总和，称为累积流量，也叫总量总和，称为累积流量，也叫总量。0( ) dtqqtt总如果流量十分平稳如果流量十分平稳,则可将短暂时

53、段则可将短暂时段ti与该时段与该时段的的瞬时流量瞬时流量qi的平均值相乘的平均值相乘,并并对乘积进行累加对乘积进行累加,从而得到从而得到累积流量累积流量：1( ) ni iiqq t总流量的单位及计算流量的单位及计算 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：设测得平均流速例：设测得平均流速v =2m/s ，圆管道的直径圆管道的直径D =1m，则截面积，则截面积A=D2/4=0.79m2 ，如果，如果不考虑层流、紊流效应不考虑层流、紊流效应，认为流体在整个管道中的分布是均匀的，则平认为流体在整个管道中

54、的分布是均匀的，则平均流量均流量qV V= 3.95m3 /s 。圆管内的流速圆管内的流速不均匀分布不均匀分布D流量的测量方法分类流量的测量方法分类测量流量的方法很多，有测量流量的方法很多，有流速法流速法、容积法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、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、差压节流式多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。等。按照国家标准制造的按照国家标准制造的标准节流装置标准节流装置的流量系数的流量系数计算公式是相当完备的，所以它是一种可靠性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。量使用差压式流量计。 叶轮式气体流速计叶轮式气体流速计气体流量计气体流量计常规小气象站使用三叶风杯测量风速常规小气象站使用三叶风杯测量风速叶轮式手持风速仪叶轮式手持风速仪测量风向测量风向的风标的风标 测量风速的测量风速的三叶风杯三叶风杯玻璃转子流量计玻璃转子流量计流体入口流体入口流体出口流体出口浮子浮子主要测量元件为主要测量元件为一根垂直安装的一根垂直安装的下下小上大