项目五 物位检测（课件）- 《传感器与检测技术项目式教程》同步教学（人民邮电版）

项目五 物位检测 1 第二学习周 检测技术基础知识 知识目标： 了解物位检测的基本方法 掌握电容式传感器的结构、分类和工作原理 熟悉电容式传感器的基本转换电路 了解电容式传感器的典型应用 理解超声波的概念及传播特性 掌握超声波传感器的工作原理和类型 能够根据需要选择合适的物位传感器进行测量电路设计 学会物位测量系统的制作与调试 技能目标： 学习目标 项目背景 液位、料位和界位总称为物位。根据具体用途可以使用液位、料位、界位等传感器。物位测量的目的主要是按生产工艺要求等监视、控制被测物位的变化。物位测量结果常用绝对长度单位或百分数表示。要求物位测量装置或系统应具有对物位进行测量、记录、报警或发出控制信号等功能。 由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大的差别，因而对物位进行测量的传感器形式有许多种，简单的有直读式或直接显示的装置；复杂的有利用通过敏感元件将物位转变为电量输出的电测仪表，以及建立在多传感器数据融合技术和智能识别与控制基础上的检测与控制系统。也有应用于特殊要求和测量场合的声、光、电转换原理的传感器表等。按是否与被测介质接触又分为接触式物位传感器和非接触式物位传感器，其应用比较广泛的代表分别是电容和超声波物位传感器。 任务5.1 汽车油箱油位检测 知识分布网络 汽车油箱油位检测 任务实施 知识拓展 相关知识 电容传感器的类型及特性 电容传感器的测量电路 传感器选型 测量电路设计 模拟调试 电容传感器测量厚度 电容传感器测量压力 电容传感器的工作原理 电容传感器测量加速度 电容传感器测量位移 电容传感器的测量电路 任务5.1 汽车油箱油位检测 传统的机械式汽车油位传感器存在精度低、稳定性不高、使用寿命短、使用环境存在局限等问题，导致汽车的使用成本相应增加。为了克服并改善传统汽车油位传感器存在的局限性，电容式液位传感器克服了传统油位传感器存在的上述缺点，而且在精度、稳定性等指标上有了质的飞跃，并具有数据精度高、稳定性强、使用寿命长等优点。 图5- 1 电容式油量计外形 【任务描述】 任务5.1 汽车油箱油位检测 5.1.1霍尔传感器工作原理 【相关知识】 电容传感器是将被测量（如尺寸、位移、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。 图5- 2 平板电容器 + S r d _ ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，ε0 ＝8.854×10-12F/m，εr为极板间介质相对介电常数； A——两平行板所覆盖的面积，单位m2； d——两平行板之间的距离，单位m。 6 任务5.1 汽车油箱油位检测 5.1.2 电容传感器的类型及特性 根据电容传感器的工作原理，电容传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 1．变极距型电容传感器 （a) 结构示意图 （b) C—d特性曲线 图5-3变极距型电容式传感器 1—动极板 2—定极板 当传感器的εr和A为常数，初始极距为d0时 ，其初始电容量C0为 ： 7 任务5.1 汽车油箱油位检测 当动极板2移动x 值后，其电容值C 为： 当x<< d0 时，1-(Δd/d0）2≈1 当x/d0很小时 任务5.1 汽车油箱油位检测 2．变面积型电容传感器 变面积式电容式传感器通常分为直线位移式、角位移式两类 （a) 直线位移式 （b） 角位移式 图5-4 变面积式电容传感器结构原理图 1- 动极板 2- 定极板 任务5.1 汽车油箱油位检测 当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为 （5-6） 式中C0=ε0εr ba/d为初始电容。电容相对变化量为 （5-7） 其灵敏度为 （5-8） 1）直线位移式 任务5.1 汽车油箱油位检测 2）角位移式 当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则 εr——介质相对介电常数； d0——两极板间距离； A0——两极板间初始覆盖面积。 其灵敏度为： 任务5.1 汽车油箱油位检测 3．变介质型电容传感器 图5- 5电容式液位计结构原理图 被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h, 变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时变换器电容值为 ε——空气介电常数； C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值 任务5.1 汽车油箱油位检测 4．差动电容传感器 （a) 变极距式差动电容器 （b) 旋转形差动电容器 （c) 圆柱形差动电容器 图5-6 差动型电容传感器结构示意图 任务5.1 汽车油箱油位