【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 ● 當傳感器殼體相對慣性空間向上位移 x 時 （殼體和質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，傳感器中的質量塊相對于殼體向下位移 y 為 : ● 質量塊與殼體為簧片連接，質量塊產生慣性力 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 質量塊的加速度 m 質量塊的質量 ● 綜上可見 ax→Fx →y →C C = f ( ax ) Fx=max 質量塊 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 結構如下圖所示。 電容的動極板 具有預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 結構 殼體是傳感器的支撐結構 在殼體內有兩個壓室，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，構成傳感器的兩個差動電容。 87 ● 當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 (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（ 1012F/m） ε 電容極板間介質的介電常數 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 F 電容動極板受壓力作用產生的力 d 動極板與定極板的距離 ε0 真空介電常數（ 1012F/m） ε 電容極板間介質的介電常數 被測壓力作用在電容的動極板上轉換成向下的作用力，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 結構 大噸位電容式稱重傳感器結構是在扁環(huán)形彈性元件內腔上下平面上分別固定有電容傳感器的定極板和動極板。 結構如下圖所示。 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（ 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（ 1012F/m） ε 電容極板間介質的介電常數 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，被測介質液面的變化引起電容變化的一種變介質型電容傳感器。用于測量非導電介質的液體。 結構如圖所示。 電容式液位傳感器的構成 極板分為內外電極，極板形狀為柱形或面形 被測介質是具有一定介電常數 ε1的電解質（有很好的溫度特性） 圖中： D 外電極的內徑 d 內電極的外徑 ε2 液面以上介質的相對介電常數 ε1 被測介質的相對介電常數 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 ε1 電容式液位傳感器 ε2 L 外電極 內電極 D d 94 式中： D 外電極的內徑 d 內電極的外徑 ε1 被測液體的相對介電常數 ε2 液面以上介質的相對介電常數 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 ε1 電容式液位傳感器 ε2 L 外電極 內電極 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 容器的內徑 d 電極棒的外徑 ε0 料位以上介質的介電常數 ε 物料的相對介電常數 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 內電極 被測介質 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。 結構如下圖所示。 96 電容 C 變化與物位 H 變化之間的關系為： )ln()( 02dDHC ??? ??式中： D 容器的內徑 d 電極棒的外徑 ε0 料位以上介質的介電常數 ε 物料的相對介電常數 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）產生有規(guī)則的旋渦現象來測量流量的儀表。 渦街流量計工作原理 在流體中設置旋渦發(fā)生體，當流體流過漩渦發(fā)生體，在旋渦發(fā)生體兩側交替產生有規(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 當相對兩列旋渦之間的距離 h 和同列的兩側旋渦之間的距離 l 之比滿足 h/l= 時 則產生的渦街是穩(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： 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 流體管道的內通徑（ m） St 斯特勞哈爾數 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 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，空腔內安裝有檢測器（電容傳感器） 空腔外側和內側均有導流孔 ▲ 測量時，在產生旋渦的一側，流速降低，流體內靜壓 p1升高，于是在有旋渦的一側和無旋渦的一側之間產生靜壓差 Δp=p1p2 ▲ 在旋渦體空腔內，流體從靜壓高的一側空腔上的導壓孔進入，從靜壓低的另一端導流孔流出 ▲ 靜壓差作用在電容傳感器的極板上。由于旋渦是交替出現，電容變化的頻率與旋渦產生的頻率相對應，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）什么叫導體的電容？ *（ 3） 什么是電容器的邊緣效應？如何消除電容的邊緣效應？ 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）簡述驅動電纜技術 —等電位屏蔽法。