傳感器及檢測技術(shù)33課件

1、上節(jié)回顧:本節(jié)主要內(nèi)容:1.電容傳感器1.電阻應(yīng)變式傳感器2.固態(tài)壓阻式傳感器3.熱電阻式傳感器4.熱敏電阻傳感器7/20/20221第3章 電容傳感器 本章學習電容傳感器的原理及應(yīng)用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。7/20/20222簡介電容式傳感器是將被測非電量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。 壓差變送器 接近開關(guān) 三軸加速度傳感器 物位開關(guān) 7/20/20223第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式 上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 電容傳感器的基本理想公式為7/20/20224第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式 改變A、d、

2、三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C 改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。 電容傳感器的基本理想公式為7/20/20225變面積型電容傳感器 平面形直線位移式 圓柱形直線位移式 角位移式 7/20/20226一、變面積式電容傳感器 圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移 度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。7/20/20227變面積式電容傳感器的

3、特性 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！7/20/20228二、變極距式電容傳感器 當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。 實際使用時，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。7/20/20229變極距式電容傳感器的特性曲線 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當d0小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變??？ a） 結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系1

4、定極板 2動極板 7/20/202210三、變介電常數(shù)式 因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。表5-1 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)7/20/202211變介電常數(shù)式電容傳感器的用途 根據(jù)表5-1，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，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？7/20/202212第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路7/20/202213測量轉(zhuǎn)換電路-電橋 Cx為電容傳感器，沒有變化時， 輸出電壓U0=0。Cx變化時，U00，由此可測得電容的變化值。 相鄰的兩臂接入差動式電容傳感器。

5、空載時的輸出電壓為 7/20/2022147/20/2022157/20/2022167/20/2022177/20/202218第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路 （調(diào)頻電路 ） 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，當電容傳感器工作時，電容Cx 發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 式中哪些量是變量？7/20/202219調(diào)頻式測量轉(zhuǎn)換電路 當輸入量導(dǎo)致傳感器的電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率也相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻式。在實現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換后，再用鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，經(jīng)放大后輸出，進行顯示和紀錄 7/2

6、0/202220調(diào)頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？ TTL高電平3.6-5V ,低電平0-2.4V7/20/202221運算放大器式測量轉(zhuǎn)換電路 輸出電壓如果傳感器為平板形 電容器，則 此電路能解決變極距型電容式傳感器的非線性問題 7/20/2022227/20/2022237/20/202224第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用 電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A 和極間介電常數(shù) 。固定其中兩個變 量，電容量C 就是另一個變量的一元函數(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電參數(shù)來達到非電量電測的目的。 7/

7、20/2022257/20/202226電容式壓差傳感器 1-硅油 2-隔離膜 3-焊接密封圈 4-測量膜片（動電極） 5-固定電極 結(jié)構(gòu) 外形 應(yīng)用測量液位 7/20/2022277/20/202228二、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，加速度測量范圍為數(shù)個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。7/20/202229微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標： 靈敏度：500mV/g ， 量程：10g， 頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz

8、， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ， 安裝螺紋：M5 mm ， 線性誤差：1% 7/20/202230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）7/20/202231 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，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當于懸臂梁。 當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。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)

9、換成直流輸出電壓。它的激勵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1kHz以上，允許加速度范圍可達10g 以上。 如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動或加速度。7/20/202232加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設(shè)定值時， 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰 撞，于是就啟動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。 裝有傳感器的假人氣囊7/20/202233汽車氣囊的保護作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，

10、經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 7/20/202234汽車氣囊對駕駛員的保護作用7/20/2022353. 應(yīng)用 -電容式測厚儀 在被測帶材的上下兩側(cè)各裝設(shè)一塊面積相等且與帶材距離相等的極板，這樣兩極板與帶材之間形成兩個電容C1、C2。 1-帶材 2-軋輥 3-工作電極 帶材在軋制過程中若發(fā)生厚度變化，將引起電容的變化，再調(diào)頻測量電路將電容的變化檢測出來，經(jīng)過單片機處理，即可由顯示面板顯示出帶材厚度的變化。 7/20/2022367/20/2022377/20/202238一、電容式液位計 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

11、聚四氟乙烯外套7/20/202239電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當液位到達設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。7/20/202240液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當液位達到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。設(shè)定按鈕7/20/202241智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源 指示燈7/20/202242四、電容式油量表 機械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，

12、通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。7/20/202243電容式油量表 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時帶動RP的滑動臂移動。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(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)？7/20/202244 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示7/20/202245不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關(guān)動作距離的影響7/20/202246電容式濕度傳感器以鋁棒和能滲透水的黃金膜為極板，極板間充以氧化鋁微孔介質(zhì)。多孔氧化鋁可以從