【正文】 定極板 動極板 A 面 B 面 電容式加速度傳感器 x y 因而使 A面、 B面的兩個電容極板的距離發(fā)生改變，兩個電容一個增加、一個減少 它們的電容差值與被測加速度ax 成正比 C = f ( ax ) 85 ● 當(dāng)傳感器殼體相對慣性空間向上位移 x 時 （殼體和質(zhì)量塊為一個慣性系統(tǒng)）傳感器的加速度 ax 為： dtdvdtxdax ?? 22● 在慣性力的作用下，傳感器中的質(zhì)量塊相對于殼體向下位移 y 為 : ● 質(zhì)量塊與殼體為簧片連接，質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力 Fx，其方向與傳感器的位移 x方向相反，大小為： xx maF ?)()( 22 xafdt xdfy ??式中： x 殼體相對慣性空間向上位移 v 殼體相對慣性空間的運動速度 ax 質(zhì)量塊的加速度 m 質(zhì)量塊的質(zhì)量 ● 綜上可見 ax→Fx →y →C C = f ( ax ) Fx=max 質(zhì)量塊 殼體 簧片 定極板 動極板 A 面 B 面 電容式加速度傳感器 x y 86 三、電容式力和壓力傳感器 （ 1）差動電容式差壓傳感器 差動電容式差壓傳感器 結(jié)構(gòu)如下圖所示。 電容的動極板 具有預(yù)張力的金屬膜片作為 感壓敏感元件 ，同時作為可變電容的動極板。 p1 p2 定極板 （金屬鍍層） 動極板 （金屬膜片） a b c 玻璃襯底 電容式差壓傳感器 電極引線 結(jié)構(gòu) 殼體是傳感器的支撐結(jié)構(gòu) 在殼體內(nèi)有兩個壓室，分別通入被測壓力 p p2 電容的兩個定極板 采用蒸鍍加工工藝將電容的兩個定極板蒸鍍在弧形玻璃襯底上，構(gòu)成傳感器的兩個差動電容。 87 ● 當(dāng)測量壓室兩邊的壓力 p1=p2 時 F1= p1A F2= p2A F1=F2 動極板金屬膜片居中 兩個電容相等 ● 當(dāng)測量室兩邊的壓力 p1p2 時 F1= p1A F2= p2A F1F2 動極板金屬膜片彎向 右 邊 兩個差動電容一個增大、一個減小，且變化量（絕對值）大小相同 。 式中： A 電容動極板有效面積 (m2) 差動電容式差壓傳感器工作原理 p1 p2 a b c 電極引線 p1=p F1=F2 F1 F2 p1 p2 a b c 電極引線 p1p F1F2 F1 F2 88 ● 當(dāng)測量室兩邊的壓差反向變化 p1p2時 F1= p1A F2= p2A F1F2 動極板金屬膜片彎向 左 邊 兩個差動電容一個增大、一個減小， 且變化量（絕對值）大小相同 。 p1 p2 定極板 （金屬鍍層） 動極板 （金屬膜片） a b c 玻璃襯底 p1p F1F2 電容式差壓傳感器 電極引線 F1 F2 89 電容動極板的位移 x pAkx ??式中： k 電容動極板的剛度系數(shù) (kg/m) A 電容動極板的有效面積 (m2) Δp 作用在動極板兩邊的壓差 (Pa) Δp=p1p2 ε0 真空介電常數(shù)（ 1012F/m） ε 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 綜上可見 △ p → F → x → C C= f (△ p ) pkpAkAxAC????? 000??????電容 C為： p1 p2 定極板 （金屬鍍層） 動極板 （金屬膜片） a b c 玻璃襯底 電容式差壓傳感器 電極引線 90 智能型差壓 /壓力變送器 91 （ 2）電容式壓力傳感器 F=AP 式中： A 電容動極板面積 a 電容定極板面積 P 被測壓力 k 電容極板的剛度系數(shù) F 電容動極板受壓力作用產(chǎn)生的力 d 動極板與定極板的距離 ε0 真空介電常數(shù)（ 1012F/m） ε 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 被測壓力作用在電容的動極板上轉(zhuǎn)換成向下的作用力，在該力的作用下，動極板向下移動，從而改變電容的極距。 d=kF =kAP 動極板上的作用力 F為： 電容的極距 d為： P d 電容式壓力傳感器 綜上可見 p → F → d → C C = f ( p ) k A Pad aC 00 ???? ??電容 C為： 92 （ 3）大噸位電容式稱重傳感器 結(jié)構(gòu) 大噸位電容式稱重傳感器結(jié)構(gòu)是在扁環(huán)形彈性元件內(nèi)腔上下平面上分別固定有電容傳感器的定極板和動極板。 結(jié)構(gòu)如下圖所示。 工作原理 稱重時，彈性元件受力 F變形，使動、定極板位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化，從而測出被測量的大小。 動極板的位移 x 式中： k 扁形彈性元件剛度系數(shù)（ kg/m） F 作用在傳感器上的測量力（ N） a 電容定極板面積（ m2） ε0 真空介電常數(shù)（ 1012F/m） ε 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 綜上可見 F →x →C C = f ( F ) 彈性體 絕緣材料 定極板 動極板 極板支架 電容式稱重傳感器 F kFaxaC 00 ???? ??電容 C為 x = kF 93 四、電容式物位傳感器 （ 1） 電容式液位傳感器 電容式液位傳感器是將被測量作為電容極板間的介質(zhì)，被測介質(zhì)液面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器。用于測量非導(dǎo)電介質(zhì)的液體。 結(jié)構(gòu)如圖所示。 電容式液位傳感器的構(gòu)成 極板分為內(nèi)外電極，極板形狀為柱形或面形 被測介質(zhì)是具有一定介電常數(shù) ε1的電解質(zhì)（有很好的溫度特性） 圖中： D 外電極的內(nèi)徑 d 內(nèi)電極的外徑 ε2 液面以上介質(zhì)的相對介電常數(shù) ε1 被測介質(zhì)的相對介電常數(shù) H 傳感器插入液面的深度 L 兩電極相互覆蓋部分的高度 H 被測介質(zhì) ε1 電容式液位傳感器 ε2 L 外電極 內(nèi)電極 D d 94 式中： D 外電極的內(nèi)徑 d 內(nèi)電極的外徑 ε1 被測液體的相對介電常數(shù) ε2 液面以上介質(zhì)的相對介電常數(shù) H 傳感器插入液面的深度 L 兩電極相互覆蓋部分的高度 dDHLdDHCln)(2ln2 21 ??? ????HdDCCC x )l n()( 2102 ??? ????當(dāng)被測液面高度發(fā)生變化時，將會引起電容量的變化，其電容量 C為： 電容的變化量 Cx為： 可見 C = f ( H ) 當(dāng)被測液面高度為零時，其電容量 C0為： （極板形狀為柱形） dDLC ln2 20 ???H 被測介質(zhì) ε1 電容式液位傳感器 ε2 L 外電極 內(nèi)電極 D d 95 （ 2） 電容式料位傳感器 電容料位傳感器用來測量 非導(dǎo)電固體物料 的料位。 單電極測量方案中，（單）電極棒與容器壁（金屬材料）組成電容傳感器的兩個電極。 圖中： D 容器的內(nèi)徑 d 電極棒的外徑 ε0 料位以上介質(zhì)的介電常數(shù) ε 物料的相對介電常數(shù) H 物料的高度 D d 電極棒 容器壁 （另一個電極） 電容式料位傳感器 ε0 ε H ε2 外電極 內(nèi)電極 被測介質(zhì) ε1 由于固體物料的摩擦力較大，容易“ 滯留 ”，故一般不用雙電極測量形式，而用單電極（棒）測量形式。 結(jié)構(gòu)如下圖所示。 96 電容 C 變化與物位 H 變化之間的關(guān)系為： )ln()( 02dDHC ??? ??式中： D 容器的內(nèi)徑 d 電極棒的外徑 ε0 料位以上介質(zhì)的介電常數(shù) ε 物料的相對介電常數(shù) H 物料的高度 可見 C = f ( H ) D d 電極棒 容器壁 （另一個電極） 電容式料位傳感器 ε0 ε H 97 五、渦街流量計 渦街流量計是利用流體作用于節(jié)流裝置（旋渦發(fā)生體）產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦現(xiàn)象來測量流量的儀表。 渦街流量計工作原理 在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體，當(dāng)流體流過漩渦發(fā)生體，在旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦 這種旋渦稱為卡曼渦街（ Karman Vortex Street） h 旋渦 發(fā)生體 l V流體流速 D 三角柱卡曼渦街 d 98 當(dāng)相對兩列旋渦之間的距離 h 和同列的兩側(cè)旋渦之間的距離 l 之比滿足 h/l= 時 則產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的 h 旋渦 發(fā)生體 l V流體流速 D 三角柱卡曼渦街 d 圖中： h 相對兩列旋渦之間的距離（ m） l 同列兩側(cè)旋渦之間的距離（ m） v 被測流體的平均流速（ m/s） d 旋渦發(fā)生體迎流體面寬度（ m） D 流體管道的內(nèi)通徑（ m） 99 由式可見 旋渦頻率 f 與流體的平均流速 v 成正比 測得頻率 f 就可求得流體流量 設(shè)： f 旋渦發(fā)生的頻率（ Hz） v 被測流體的平均流速（ m/s） d 旋渦發(fā)生體迎流體面寬度（ m） D 流體管道的內(nèi)通徑（ m） St 斯特勞哈爾數(shù) 渦街發(fā)生的頻率 f 為： 渦街流量計的流量方程為： 式中： Qv 流體的體積流量（ m3/h） Qm 流體的重量流量（ Kg/h） k 儀表系數(shù) ρ 流體密度（ Kg/m3） 旋渦發(fā)生體 d v 旋渦頻率 f 與流體流速 v 的關(guān)系 dDdvSf t)( ??KdDdvStKfQ V)(/???Qm= QVρ 提問：漩渦的頻率 f 如何測？ 100 渦街頻率的測量方法 ● 應(yīng)力檢測法 ● 超聲檢測法 ● 熱敏檢測法 ● 電容檢測法 在旋渦體上有一段空腔，空腔內(nèi)安裝有檢測器（電容傳感器） 空腔外側(cè)和內(nèi)側(cè)均有導(dǎo)流孔 ▲ 測量時，在產(chǎn)生旋渦的一側(cè)，流速降低，流體內(nèi)靜壓 p1升高，于是在有旋渦的一側(cè)和無旋渦的一側(cè)之間產(chǎn)生靜壓差 Δp=p1p2 ▲ 在旋渦體空腔內(nèi)，流體從靜壓高的一側(cè)空腔上的導(dǎo)壓孔進入，從靜壓低的另一端導(dǎo)流孔流出 ▲ 靜壓差作用在電容傳感器的極板上。由于旋渦是交替出現(xiàn)，電容變化的頻率與旋渦產(chǎn)生的頻率相對應(yīng)，故可通過測量電容的變化來反映 旋渦頻率 f （即流體流量的變化） V流體流速 電容檢測頻率法 p1 p2 電容極板 101 渦街流量計（ E+H公司產(chǎn)品） 102 *（ 2）簡述電容式傳感器的工作原理。 作 業(yè) 5 （ 1）什么叫導(dǎo)體的電容？ *（ 3） 什么是電容器的邊緣效應(yīng)？如何消除電容的邊緣效應(yīng)？ 103 *（ 3）簡述差動電容式差壓傳感器的工作原理。 *（ 1）電容式傳感器寄生電容的產(chǎn)生及危害。如何克服其影響？ 作 業(yè) 6 （ 4）簡述電容式液位傳感器的工作原理。 （ 2）簡述驅(qū)動電纜技術(shù) —等電位屏蔽法。