電容式傳感器教案(優(yōu).選)

1、 /7word.任課教師授課班級12秋機(jī)電(1)、(2)班課時(shí)安排4個(gè)課時(shí)專業(yè)、層次中職課題內(nèi)容模塊二力傳感器任務(wù)3電容式傳感器教學(xué)重點(diǎn)1.電容式傳感器的工作原理和分類方法。教學(xué)難點(diǎn).電容式傳感器的測量電路。.電容式傳感器典型應(yīng)用的工作原理。課程目標(biāo).學(xué)會電容式傳感器測力的工作原理。.熟悉電容式傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的工作特點(diǎn)。課的類型新授課教學(xué)策略講授法、多媒體教學(xué)教學(xué)方法與手段講授、問答等教學(xué)過程設(shè)計(jì)教學(xué)過程及時(shí)間分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法的運(yùn)用一、組織教學(xué)1、點(diǎn)名檢查學(xué)生出勤情況。2、填寫教學(xué)記錄表。二、導(dǎo)入新課三、新課講授一、電容式傳感器簡介：電容式傳感器是一種將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化

2、，再通過測量電路檢測出電容量的變化，轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，就可以做出測量力、壓力、位移的電容式傳感器。電容式傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長以及可以進(jìn)行非接觸測量等特點(diǎn)，非常適合在高潮濕、高塵埃及超高低溫等惡劣環(huán)境下長期使用，二、電容式傳感器的工作原理和分類：1、工作原理：中間是絕緣介質(zhì)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器。cSSC=r0(2-6)dd式中S極板相對覆蓋面積；d極板間距離；J-相對介電常數(shù)；0-真空介電常數(shù)；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。圖2-10平板電容器若保持式（2-6）中其中兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再通過測量電路就

3、可轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。1、分類：根據(jù)改變電容量的方法不同，電容式傳感器可分為變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種。1）變間隙式電容傳感器：兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保持不變，則電容量C隨極距d按非線性關(guān)系變化。變間隙式電容傳感器的靈敏度與極距的平方成正比，極距越小靈敏度越高。但極距過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。站構(gòu)示意圖91電容餓與桃板距離的關(guān)系圖2-11變間隙式電容傳感器變間隙式電容傳感器一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。2）變面積式電容傳感器：面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距、介質(zhì)等保持不

4、變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動的，稱為動極板。變面積式電容傳感器的輸出是線性的，靈敏度K是一常數(shù)。平面規(guī)位移型_ibj倒柱騙fl移型_Jc）角位移里圖2-12變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器一般用來測量角位移或較大的線位移。3）變介電常數(shù)式電容傳感器：變介電常數(shù)式電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h成線性關(guān)系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得

5、到液位h(a)回(A)圖2-13變介電常數(shù)式電容傳感器三、電容材料：常見的電容材料：云母電容：用金屬箔或者在云母片上噴涂銀層做電極板，極板和云母一層一層疊合后，再壓鑄在膠木粉或封固在環(huán)氧樹脂中制成。它的特點(diǎn)是介質(zhì)損耗小，絕緣電阻大、溫度系數(shù)小，適宜用于高頻電路。陶瓷電容：用陶瓷做介質(zhì)，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質(zhì)薄膜做極板制成。它的特點(diǎn)是體積小，耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適宜用于高頻電路。鐵電陶瓷電容：容量較大，但是損耗和溫度系數(shù)較大，適宜用于低頻電路。薄膜電容：結(jié)構(gòu)和紙介電容相同，介質(zhì)是滌綸或者聚苯乙烯。滌綸薄膜電容，介電常數(shù)較高，體積小，容量大，穩(wěn)定性較好，適宜做旁路

6、電容。聚苯乙烯薄膜電容，介質(zhì)損耗小，絕緣電阻高，但是溫度系數(shù)大，可用于高頻電路。四、電容式傳感器的測量電路：在電容式傳感器中，電容的變化量十分微小，這樣微小的變化量根本不能直接用顯示儀表顯示，而且不方便傳輸，因而必須借助于測量電路檢測出電容的微小變化量，并將其轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電壓或電流信號，以便于記錄、傳輸、顯示和控制。用于電容式傳感器的測量電路有很多種，常見的有橋式電路、運(yùn)算放大器電路、調(diào)頻電路等。1）橋式電路：將電容式傳感器接在電橋的一個(gè)橋臂或兩個(gè)橋臂上，其他橋臂是固定電阻、電容或電感，就可以構(gòu)成單臂電橋或雙臂電橋的測量電路。圖2-14為差動雙臂電橋，變壓器的兩個(gè)二次繞組L1、L2與差動電

7、容傳感器的兩個(gè)電容C1、C2作為電橋的4個(gè)橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調(diào)幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應(yīng)的輸出，最后為儀表顯示記錄。相敏.檢波圖2-14差動雙臂電橋初始狀態(tài)時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，U00；當(dāng)電容式傳感器發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡而有電壓輸出。差動雙臂電橋的輸出電壓是單臂電橋輸出電壓的兩倍。2）運(yùn)算放大器電路：運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗很高，利用這些特點(diǎn)可以把它作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。如圖2-15所示，將電容式傳感器跨接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間，作為電路的負(fù)反饋元件，圖中，Cx是傳感器電容，C是固定電容

8、，U0是輸出電壓信號。圖2-15運(yùn)算放大器測量電路經(jīng)推導(dǎo)，得：Uk-UC=-UC-d（2-7）0i-sSx式中可知，變間隙式電容傳感器的電容與極距之間的關(guān)系為反比關(guān)系，傳感器存在原理上的非線性。利用運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)算可以使轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與極距之間關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系，從而使整個(gè)測試裝置的非線性誤差得到很大的減小。3）調(diào)頻電路：調(diào)頻測量電路如圖2-16所示，它把電容式傳感器與一個(gè)電感元件并聯(lián)在一起構(gòu)成一個(gè)振蕩器的諧振電路。被測量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導(dǎo)致振蕩器諧振頻率的變化。頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)過放大器放大后，即可用儀器指示或記錄儀記錄下來。調(diào)頻振蕩器艮隔牌鑒

9、頻器放大器1ez5：二0圖2-16調(diào)頻電路調(diào)頻測量電路的主要優(yōu)點(diǎn)是抗外來干擾能力強(qiáng)，特性穩(wěn)定，并且能取得較高的直流輸出信號。五、電容式傳感器的應(yīng)用：電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精密測量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測量。1）電容式差壓傳感器：如圖2-17所示，當(dāng)被測壓力通過過濾器6進(jìn)入空腔5時(shí)，金屬彈性膜片1在兩側(cè)壓力差作用下，將凸向壓力低的一側(cè)。膜片和兩個(gè)鍍金玻璃圓片2之間的電容量發(fā)生變化，由此可測得壓力差。這種傳感器分辨率很高，常用于氣、液的壓力或壓差及液位和流量的測量。1彈性膜片2網(wǎng)玻璃網(wǎng)片3金屬涂層4一輸出端子5空腔6過

10、濾器7殼體圖2-17電容式差壓傳感器2）電容式接近開關(guān):】一檢測極板2充填樹脂3測量轉(zhuǎn)換電路4塑料外殼5靈敏度調(diào)節(jié)電位器6一工作指示燈7信號電纜圖2-18電容式接近開關(guān)檢測極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體內(nèi)，用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂填充、灌封。當(dāng)沒有物體靠近檢測極時(shí)，檢測板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（3CR）。當(dāng)被檢測物體為地電位的導(dǎo)電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體等）時(shí)，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導(dǎo)致振蕩器停振。當(dāng)不接地、絕緣被測物體接近檢測極板時(shí)，由于檢測極板上施加有高頻電壓，在它附近產(chǎn)生交變電場，被檢測物體就會受到靜電感應(yīng)，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負(fù)電荷分離，使檢測極板的對地等效電容量增大，使LC振蕩電路的Q值降低。對能量損耗較大的介質(zhì)（如各種含水有機(jī)物），它在高頻交變極化過