電容式接近開關課件

1、項目二:電容式接近開關的設計制作 技能訓練目標要求:1、掌握電容傳感器的結構原理；2、學會電容接近開關的設計方法與應用電路；3、進一步掌握錫焊技巧和電路調試方法；4、了解電容式傳感器的應用情況；5、鍛煉同學們的敬業(yè)精神和團隊意識。廣東機電職業(yè)技術學院-傳感器應用技術 一、工作原理及結構形式電容傳感器的理想公式為 d 極板間距離； A 極板面積；電容極板間介質的介電常數(shù)。 改變d、A、 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。 聲傳感器應用模型1變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動畫演示變極距式電容傳感器結構及特性曲線

2、結構示意圖1定極板 2動極板 電容量與極板距離的關系則靈敏度系數(shù) k不是常數(shù),且與d 成反比。極距越小靈敏度越高，但非線性誤差會越大。實際應用中為提高靈敏度和擴大線性范圍，多采用差動式電容傳感器。20問題：d是越小好還是大好呢？差動結構2變面積式電容式傳感器3變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示 經(jīng)推導可知變介電常數(shù)式電容傳感器其電容與位移或液體高度成線性關系，可由以下表達式表示：其中A、B均為與結構和介質有關的常數(shù)三種電容式傳感器比較表電容式傳感器測量電路電壓或頻率信號二、測量轉換電路1.運算放大器電路 2. 變壓器電橋電路 缺點：由于電路輸出為交流電，應進行相敏檢波 后

3、，才能辨別位移方向。 對于變間隙式差分電容傳感器經(jīng)分析推導可得： 優(yōu)點：把變間隙式電容傳感器的位移與電容的非線 性關系 轉化為位移與輸出電壓的線性關系。可得：3. 調頻電路用調頻系統(tǒng)作為電容傳感器的測量電路主要具有以下特點：（1）抗外來干擾能力強；（2）特性穩(wěn)定；（3）能取得高電平的直流信號（伏特數(shù)量級）；（4）因為是頻率輸出，易于同數(shù)字儀器和計算機接口。諧振電路 諧振式電路的原理方框圖，電容傳感器的電容Cx作為諧振回路（L2，C2，Cx）調諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。工作原理: 當電容傳感器的電容Cx發(fā)生變化時，諧振回路的諧振頻率發(fā)生變化，相對于高頻

4、振蕩器的頻率來說是失諧的，這樣使得諧振回路兩端的電壓振幅也就發(fā)生了變化，也就是說，該電路具有將電容Cx的變化轉換為諧振回路兩端電壓振幅變化的作用，即諧振回路兩端將獲得一個受電容Cx變化量調制的調幅波。該調幅波經(jīng)檢波器檢波后，再經(jīng)過放大器放大即可指示出輸入量的大小。4. 脈沖寬度調制電路經(jīng)分析推導得： 電阻R1=R2=R， 綜合以上三式: 上式說明，直流輸出電壓正比于電容C1與C2的差值，其極性可正可負。電容C1和C2的充電時間為:說明:(1)利用平行板電容公式，在變間隙的情況下可得:式中d1，d2 分別為C1，C2電極極板間的距離。當差動電容C1=C2=C0時，即d1=d2=d0時，Uo=0。

5、當差動電容C1C2，設C1C2，即d1= d0d，d2= d0d，則式(2)在變面積的情況下有式中S1，S2分別為C1，C2電極極板面積。 由此可見，對于差動脈沖調寬電路，不論是改變平板電容器的極板面積或是極板距離，其變化量與輸出量都成線性關系。 1壓力測量電容式壓力傳感器結構圖三、電容式傳感器的應用 駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 2聲音信號測量高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器外形圖電容式差壓傳感器原理結

6、構 兩玻璃圓盤上各鍍以金作為電容式傳感器的兩個固定極板，而夾在兩凹圓盤中的膜片則為傳感器的可動電極，則形成傳感器的兩個差動電容C1、C2。當兩邊壓力p1、p2相等時，膜片處在中間位置與左、右固定電容間距相等，因此兩個電容相等；當p1p2時，膜片彎向p2，那么兩個差動電容一個增大、一個減小，且變化量大小相同；當壓差反向時，差動電容變化量也反向。 結構簡單、靈敏度高、響應速度快(約100ms)、能測微小壓差(00.75Pa)。它是由兩個玻璃圓盤和一個金屬(不銹鋼)膜片組成。利用電容差壓變送器測量液體的液位 差壓變送器施加在高壓側腔體內的壓力與液位成正比： p = g h家用電器壓力檢測示意圖3加速

7、度測量電容傳感器加速度測量動畫演示硅微加工電容加速度傳感器加速度傳感器在汽車中的應用 裝有傳感器的假人氣囊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，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置4轉速測量電容傳感器轉速測量動畫演示 電容料位測量示意圖1極棒 2容器壁 5料位和液位測量AM90系列電容物位儀 聚四氟乙烯外套液位計設定按鈕電容式油量表原理圖 兩電極間的介質即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)1和液面上的介電常數(shù)2不同，比如：12，則當液位升高時，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當液位下降，值減小，電容量也減

8、小 。電容指紋識別動畫演示6其它測量1、溫度對結構尺寸的影響由于構成傳感器的材料不同，所以線膨脹系數(shù)不同。溫度t變化C的幾何形狀變化電容量變化C=C0+CP+Ct 傳感器的初始電容量被測信號作用下電容量的增量環(huán)境溫度變化產生附加的電容增量Ct決定傳感器溫度誤差的大小。四、電容式傳感器實際使用問題 選用溫度膨脹系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料。例如電極的支架選用陶瓷材料要比塑料或有機玻璃好；電極材料以選用鐵鎳合金為好；近年來采用在陶瓷或石英上噴鍍一層金屬薄膜來代替電極，效果更好。減小溫度誤差的另一常用措施是采用差動對稱結構，在測量電路中加以補償。2、電容靜電擊穿 電容傳感器雖然有許多獨具的優(yōu)點，但由于

9、它的工作原理、結構特點而使它也存在一些缺點，在實際使用時需采取相應的技術措施來改善。 電容器兩極板的電場分布在中心部分是均勻的，但到了邊緣部分是不均勻的，因此邊緣效應使設計計算復雜化、產生非線性以及降低傳感器的靈敏度。消除和減小邊緣效應的方法是在結構上增設防護電極，防護電極必須與被防護電極取相同的電位，如圖所示，這樣可以使工作極板全部面積處于均勻電場的范圍。 3、邊緣效應 應該說明的是，增設防護電極雖然有效地抑制了邊緣效應，但也增加了加工工藝難度。另外，為了保持防護電極與被防護電極的等電位，一般盡量使二者同為地電位。4、寄生電容的影響1、寄生電容存在對傳感器的影響使傳感器的電容量發(fā)生改變導致傳

10、感器特性不穩(wěn)定，并產生干擾2、克服寄生電容：靜電屏蔽 電容式傳感器除了極板間的電容外，極板還可能與周圍物體（包括儀器中的各種元件甚至人體）之間產生電容聯(lián)系，這種電容稱為寄生電容。由于傳感器本身電容很小，所以寄生電容可能使傳感器電容量發(fā)生明顯改變；而且寄生電容極不穩(wěn)定，從而導致傳感器特性的不穩(wěn)定。振蕩電路感應電極被測物體測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.由此便可控制開關的接通和關斷;接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。五、電容式接近開關設計 1、原理框圖 2、電路原理 3、注意事項1）C4093為CMOS集成電路，很容易被電烙鐵所帶的靜電擊穿，所以在制作時，最好先焊一個集成電路插座，待電路經(jīng)檢查無誤后再把CD4093插入插座。2）電容C4是靈敏度調節(jié)電