傳感器與檢測(cè)技術(shù)第四章

傳感器與檢測(cè)技術(shù)第四章2023/7/29第1頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路24.1電容式傳感器的工作原理14.3電容式傳感器的應(yīng)用3目錄2023/7/29第2頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月知識(shí)目標(biāo)：（1）了解電容式傳感器的分類及特點(diǎn)。

（2）掌握電容式傳感器的工作原理及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。（3）熟悉電容式傳感器在工程上的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)技能目標(biāo)：（1）能夠根據(jù)檢測(cè)要求選擇合適的電阻式傳感器。（2）能夠正確使用電容式傳感器進(jìn)行位移測(cè)量。（3）能夠正確維護(hù)常用電子檢測(cè)設(shè)備。2023/7/29第3頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月情感目標(biāo)：（1）養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心、堅(jiān)強(qiáng)的意志力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。（2）培養(yǎng)良好的合作精神、創(chuàng)新精神和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：電容式傳感器的工作原理和應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：電容式傳感器的測(cè)量電路。2023/7/29第4頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1電容式傳感器的工作原理電容傳感器的基本理想公式為：dAε

A:極板正對(duì)面積

d:兩極板間的距離ε:兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)εr：相對(duì)介電常數(shù)ε0：真空介電常數(shù)2023/7/29第5頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

改變A、d、三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。

變極距(δ）型:(g)、（h）變面積型(A)型:(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)

2023/7/29第6頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1變面積式電容傳感器（a）角位移式電容傳感器圖4-3變面積式電容傳感器的原理圖

圖a是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移

度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。兩極板間的電容：

電容的變化量為：2023/7/29第7頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（b）直線位移式電容傳感器圖b是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。兩極板間的電容：

電容的變化量為：2023/7/29第8頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。請(qǐng)畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！變面積式電容傳感器的特性2023/7/29第9頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2變極距式電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。電容的變化量為：兩極板間的電容：

若△d/d0<<1，則≈1，即電容的變化量為：若△d/d0<<1，則≈1，即電容的變化量為：若△d/d0<<1，則≈1，即電容的變化量為：2023/7/29第10頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月變極距式電容傳感器的特性曲線

a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—?jiǎng)訕O板

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？2023/7/29第11頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖4-5兩極板間采用云母片作為介質(zhì)的電容2023/7/29第12頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖4-6差動(dòng)平板式電容傳感器原理圖

C-△CC+△C2023/7/29第13頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)的好處?kù)`敏度得到一倍的改善線性度得到改善抵消外界的影響2023/7/29第14頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1.3變介電常數(shù)式電容傳感器

因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。表4-1幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2023/7/29第15頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月變介電常數(shù)式電容傳感器的用途

根據(jù)表4-1，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)量什么非電量？圖4-7變介電常數(shù)式電容傳感器的原理圖2023/7/29第16頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路4.2.1橋式電路1.單臂橋式電路（a）單臂橋式電路圖4-8電容式傳感器的橋式電路平衡條件：2023/7/29第17頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.差動(dòng)橋式電路（b）差動(dòng)橋式電路圖4-8電容式傳感器的橋式電路差動(dòng)橋式電路的輸出電壓Uo與電容的變化量呈線性關(guān)系。

2023/7/29第18頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2調(diào)頻電路

調(diào)頻電路將電容式傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容C0

發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？2023/7/29第19頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖4-9調(diào)頻電路的原理圖202023/7/29第20頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，調(diào)頻振蕩器的固有頻率（一般應(yīng)選在1MHz以下）為振蕩電路的總電容一般包括電容式傳感器的電容、諧振電路中的固有電容C1和電纜電容Cc。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，≠0，調(diào)頻振蕩器的頻率調(diào)頻振蕩器輸出的高頻電壓將是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)制波。

2023/7/29第21頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用調(diào)頻系統(tǒng)作為電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路主要有以下特點(diǎn)：（1）抗外來(lái)干擾能力強(qiáng)。（2）特性穩(wěn)定。（3）能取得高電平的直流信號(hào)（伏特?cái)?shù)量級(jí)）。（4）因?yàn)槭穷l率輸出，所以易用于數(shù)字儀器和計(jì)算機(jī)接口。2023/7/29第22頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3運(yùn)算放大器電路

由于運(yùn)算放大器電路的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗很高，輸出電阻小，因而采用運(yùn)算放大器電路作為電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是比較理想的。圖4-10運(yùn)算放大器電路的原理圖2023/7/29第23頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由運(yùn)算放大器電路的工作原理可得2023/7/29第24頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4二極管雙T形電橋電路

圖4-11二極管雙T形電橋電路的原理圖2023/7/29第25頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若C1或C2變化，則在一周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流不為零，因此，有電壓信號(hào)輸出，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為

當(dāng)為已知時(shí)，則為一常數(shù)，故上式又可寫成2023/7/29第26頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3電容式傳感器的應(yīng)用

電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對(duì)面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個(gè)變量，電容量C就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。

2023/7/29第27頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖4-12電容測(cè)厚儀的工作原理1—扎輪；2—定極板；3—被測(cè)金屬帶材；4—導(dǎo)向輪4.3.1電容測(cè)厚儀2023/7/29第28頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在被測(cè)金屬帶材3的上下兩側(cè)各放置一塊面積相等、與帶材距離相等的定極板2，這樣定極板2與被測(cè)金屬帶材3之間就形成了兩個(gè)電容C1和C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來(lái)就相當(dāng)于C1與C2并聯(lián)，總電容為C1+C2。如果被測(cè)金屬帶材3的厚度發(fā)生變化，則引起電容量的變化，用測(cè)量轉(zhuǎn)換電路將電容的變化檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)放大即可由電表顯示測(cè)量結(jié)果。2023/7/29第29頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖4-13差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖304.3.2電容式壓力傳感器2023/7/29第30頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（a）

（b）

圖4-14電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖4.3.3電容式加速度傳感器2023/7/29第31頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2023/7/29第32頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）2023/7/29第33頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。

當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。2023/7/29第34頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用裝有傳感器的假人氣囊35

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

2023/7/29第35頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用2023/7/29第36頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械式油量表：4.3.4油箱油量檢測(cè)系統(tǒng)

在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2023/7/29第37頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處）。

該油量表屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？2023/7/29第38頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖4-17圓柱形電容式接近開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖1—檢測(cè)電極；2—充填樹脂；3—測(cè)量轉(zhuǎn)換電路；4—塑料外殼；5—靈敏度調(diào)節(jié)電位器；6—工作指示燈；7—信號(hào)電纜394.3.5電容式接近開(kāi)關(guān)2023/7/29第39頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.電容式接近開(kāi)關(guān)的工作原理

當(dāng)被測(cè)物體接近檢測(cè)電極時(shí)，被測(cè)物體會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越接近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的電荷就越多。由于檢測(cè)電極的靜電電容C＝Q／U，所以電荷的增多，使電容C隨之增大，從而使高頻振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。2023/7/29第40頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開(kāi)關(guān)外形齊平式非齊平式2023/7/29第41頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于20