傳感器與檢測技術(shù)：第四章電容傳感器

1、2021年2月12日星期五,第四章 電容傳感器,1,2021年2月12日星期五,2021年2月12日星期五,知識目標(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)行位移測量。 （3）能夠正確維護(hù)常用電子檢測設(shè)備,2021年2月12日星期五,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)新精神和競爭意識,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

2、學(xué)難點(diǎn)： 電容式傳感器的測量電路,2021年2月12日星期五,電容傳感器的基本理想公式為,A:極板正對面積 d:兩極板間的距離 :兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù) r：相對介電常數(shù) 0：真空介電常數(shù),2021年2月12日星期五,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(）型: (g) 、（h） 變面積型(A)型: (a)、(b)、(c)、(d)、 (e) 、(f)、 變介電常數(shù)( )型: （i）(l,2021年2月12日星期五,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

3、板2的軸由被測物體帶動(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,2021年2月12日星期五,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,2021年2月12日星期五,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直線位移、角位移、尺寸等參量。 請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,2021年2月12日星期五,當(dāng)動(dòng)極板受被測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

4、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，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn),電容的變化量為,2021年2月12日星期五,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動(dòng)極板,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,2021年2月12日星期五,圖4-5 兩極板間采用云母片作為介質(zhì)的電容,2021年2月12日星期五,圖4-6 差動(dòng)平板式電容傳感器原理圖,2021年2月12日星期五,差動(dòng)的好處,靈敏度得到一倍的改善 線性度得到改善 抵消外界的影響,2021年2月12日星期五,因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，

5、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)的相對介電常數(shù),2021年2月12日星期五,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,2021年2月12日星期五,1.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,2021年2月12日星期五,2.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,202

6、1年2月12日星期五,調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC 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,2021年2月12日星期五,圖4-9 調(diào)頻電路的原理圖,20,2021年2月12日星期五,當(dāng)被測信號為零時(shí)，調(diào)頻振蕩器的固有頻率（一般應(yīng)選在1 MHz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)被測信號不為零時(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)受被測信號調(diào)制的調(diào)制波,2021年2月12日星期五,用調(diào)

7、頻系統(tǒng)作為電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路主要有以下特點(diǎn),1）抗外來干擾能力強(qiáng)。 （2）特性穩(wěn)定。 （3）能取得高電平的直流信號（伏特?cái)?shù)量級）。 （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,2021年2月12日星期五,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,2021年2月12日星期五,由運(yùn)算放大器電路的工作原理可得,2021年2月12日星期五,圖4-11 二極管雙T形電橋電路的原理圖,2021年2月12日星期五,若C1或C2變化，則在一周期內(nèi)流過RL的平均電流不為零，

8、因此，有電壓信號輸出，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,2021年2月12日星期五,電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對面積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，就可以通過測量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的,2021年2月12日星期五,圖4-12 電容測厚儀的工作原理 1扎輪； 2定極板； 3被測金屬帶材； 4導(dǎo)向輪,2021年2月12日星期五,在被測金屬帶材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與被測金屬帶

9、材3之間就形成了兩個(gè)電容C1和C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來就相當(dāng)于C1與C2并聯(lián)，總電容為C1+C2。如果被測金屬帶材3的厚度發(fā)生變化，則引起電容量的變化，用測量轉(zhuǎn)換電路將電容的變化檢測出來，經(jīng)過放大即可由電表顯示測量結(jié)果,2021年2月12日星期五,圖4-13 差動(dòng)電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖,30,2021年2月12日星期五,a） （b） 圖4-14 電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,2021年2月12日星期五,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)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25 V，加速度測量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速

10、度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM 脈沖,2021年2月12日星期五,硅微加工加速度傳感器原理,1加速度測試單元 2信號處理電路 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,2021年2月12日星期五,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。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也

11、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)1 kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10 g 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，就可以測量三維方向的振動(dòng)或加速度,2021年2月12日星期五,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)測得的負(fù)加速度值超過設(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,2021年2月12日星期五,汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用,2021年2月12日星期五,機(jī)械式油

12、量表,在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量,2021年2月12日星期五,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,該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng),2021年2月12日星期五,圖4-17 圓柱形電容式接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖 1檢測電極； 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工作指示燈； 7信號電纜,39,2021年2月12日星期五,2.電容式接近開關(guān)的工作原理,當(dāng)被測物體接近檢測電極時(shí)，被測物體會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測物體越接近檢測電極，檢測電極上的電荷就越多。由于檢測電極的靜電電容CQU，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,2021年2月12