任务导图：

任务描述：

    在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至关重要的，否则会产生重大的事故。

    针对液化气罐密闭，储存液体易燃、易爆、强腐蚀等特点，一般采用非接触测量法进行液位的检测，本任务中采用超声波液位传感器进行测量。

                   学习

                   目标

1.了解常用电容式传感器检测组件的外形和基本原理；

2.熟悉工业常用的液位检测方法；

3.掌握电容传感器与测量电路和显示仪表的连接方法。

会电容式液位传感器检测系统的安装、调试和维修方法。

1.养学生的创新精神与实践能力；

2.进学生个性发展，培养学生分析问题与解决问题的能力；

3.养学生的团队合作精神；

4.养学生的学习能力。

任务重点：

电容式传感器的基本定义，电容式传感器的分类和工作原理。

任务难点：

(1)电容式传感器有几种类型?简述每种类型各自的特点和适用的场合。(2)为什么变面积型电容传感器的测位移范围较大?

(3)如何改善变极距型电容传感器的线性?并解释原因

(4)说明介电常数型电容传感器的主 要优点和应用范围。

教学方法：

演示操作方法、分组讨论法。

教学手段：

播放多媒体资源手段、现场指导。

英语词汇：

电容传感器（capacitive sensor）、差动电容传感器（Differential  capacitance sensor）、调频测量电路（Frequency modulation measuring circuit）、边缘效应（fringe effect）、高分子薄膜（polymer film）、

教学用表下载区

        教学设计

学习工作单

       资料查阅记录单

    讨论记录单

    方案设计工作单

评价表

        教师打分表

    小组自评表

    小组互评表

多媒体资源区

1. PPT

2. 视频

项目5-01电容式传感器

项目5-02电容式传感器演示

项目5-03电容式传感器操作

项目5-04项目简介

项目5-05汽车油箱油位检测任务描述

项目5-06 电容传感器的工作原理

项目5-07变极距型电容传感器

项目5-08变面积型电容传感器

项目5-09变介质型电容传感器

项目5-10差动电容传感器

项目5-11电容传感器的测量电路—交流电桥电路

项目5-12电容传感器的测量电路－调频测量电路

项目5-13电容传感器的测量电路－运算放大器式电路

项目5-14电容传感器的测量电路－差动脉冲宽度调制电路

项目5-15电容传感器的测量电路－双Ｔ电桥电路

项目5-16电容传感器应用中的注意事项

项目5-17汽车油箱油位检测任务实施

项目5-18电容传感器其他参数测量

3. 动画

变面积型电容传感器工作原理 (1)

变面积型电容传感器工作原理

电容测厚仪

电容加速度传感器

电容式压力传感器

电容式油量表原理

电容液位计原理图

2、基本变间隙型电容传感器和差动变间隙型电容传感器的操作原理f

1、根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型?每种类型各有什么特点?各适用于什么场合？

2、什么是物位?为什么要进行物位的测量?物位测量的特点是什么?

3、影响电容传感器精度的因素有哪些?如何消除电容传感器的边缘效应与寄生参量的影响?

4、试述电容传感器的特点，能够测量哪些物理参数?

5、电容传感器测量电路的作用是什么?

6、某电容传感器(平行极板电容器)的圆形极板半径r=4 mm,工作初始极板间距离&=0.3 mm,介质为空气。问:

(1)如果极板间距离变化量△&= 1 um,电容的变化量△C是多少?

(2)如果测量电路的灵敏度k1=100mV/pF, 读数仪表的灵敏度k2=5格/mV在△&= 1 um时，读数仪表的变化量为多少?

8. 有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8 cm  两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数为1.000 6,试计算该传感器的位移灵敏度?

1、答：根据电容式传感器的工作原理，可将其分为3种：变极板间距的变极距型、变极板覆盖面积的变面积型和变介质介电常数的变介质型。

变极板间距型电容式传感器的特点是电容量与极板间距成反比，适合测量位移量。变极板覆盖面积型电容传感器的特点是电容量与面积改变量成正比，适合测量线位移和角位移。

变介质型电容传感器的特点是利用不同介质的介电常数各不相同，通过改变介质的介电常数实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。适合于介质的介电常数发生改变的场合。

2、答：（1）物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不相溶的液体介质的分界面的高低和固体粉末状物料的堆积高度等得总称，包括液位，料位和界位。（2）目的：主要是按生产工艺要求监视，控制被测物位的变化。（3）特点：要求物位测量装置或系统应具有对物位进行测量、几录、报警或发出控制信号等功能。

3、答：电容式传感器的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下降和非线性增加。为了尽量减少边缘效应，首先应增大电容器的初始电容量，即增大极板面积或减小极板间距。此外，加装等位环是一个有效的方法。

电容式传感器的寄生参量使传感器电容改变。由于传感器本身电容量很小，再加上寄生电容又是极不稳定的，就会导致传感器特性的不稳定，从而对传感器产生严重干扰。消除和减小寄生参量影响的方法归纳为以下几种：① 缩短传感器到测量线路前置级的距离；② 驱动电缆法；③ 整体屏蔽法。

4、答：电容式传感器具有高阻抗、小功率、动态范围较大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等特点。

电容式传感器的关键问题是分布电容的电容量与传感器电容量相比不仅不能忽视，而且影响还极其严重，其后果是造成传输效率降低、灵敏度下降、测量误差增加及稳定性变差。

电容式传感器不仅用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还广泛用于压力、差压、液位、物位或成分含量等方面的测量。

5、答：电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接被目前的显示仪表显示，也很难被记录仪接受，不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。

6、解：

（1）根据公式

  ，其中S=Πr²则

（2）根据公式 

 ，可得到

7、解：根据变面积电容传感器灵敏度公式有：

8、解：根据变极距型电容传感器灵敏度公式有：

由于

则

所以该传感器的灵敏度为8.0048x10-8F/mm。