電容式傳感器教案

1、 任課教師授課班級12秋機電(1)、(2)班課時安排4個課時專業(yè)、層次中職課題內容模塊二力傳感器任務3電容式傳感器教學重點1.電容式傳感器的工作原理和分類方法。教學難點.電容式傳感器的測量電路。.電容式傳感器典型應用的工作原理。課程目標.學會電容式傳感器測力的工作原理。.熟悉電容式傳感器在實際應用中的工作特點。課的類型新授課教學策略講授法、多媒體教學教學方法與手段講授、問答等教學過程設計教學過程及時間分配教學內容教學方法的運用一、組織教學1、點名檢查學生出勤情況。2、填寫教學記錄表。二、導入新課三、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換成電容量變化，再通過測量電

2、路檢測出電容量的變化，轉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、結構簡單、使用壽命長以及可以進行非接觸測量等特點，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：中間是絕緣介質的兩個平行金屬板組成的平板電容器。SSC=丫0(2-6)dd(26)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）中其中兩個參數(shù)不變，僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化，再通過測量電路就可轉換為

3、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保持不變，則電容量C隨極距d按非線性關系變化。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。何智構示意圖（b）電容量與極板距禽的美系圖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的極距、介質等保持不變，

4、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極板中，一個是固定不動的，稱為定極板，另一個是可移動的，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)。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情況發(fā)生變化。主要用來測量兩極板之間的介質的某些參數(shù)的變化，如介質厚度、介質濕度、液位等。傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h成線性關系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位h(a)電圖2-13變介電常數(shù)式電容傳感器三、電

5、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。它的特點是介質損耗小，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，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質薄膜做極板制成。它的特點是體積小，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：結構和紙介電容相同，介質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，適宜做旁路電容。聚苯乙烯薄膜電容，介質損耗小，絕緣電阻高，但是溫度系數(shù)

6、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，并將其轉換成與之對應的電壓或電流信號，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、運算放大器電路、調頻電路等。1）橋式電路：將電容式傳感器接在電橋的一個橋臂或兩個橋臂上，其他橋臂是固定電阻、電容或電感，就可以構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，變壓器的兩個二次繞組L1、L2與差動電容傳感器的兩個電容C1、C2作為電橋的4個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的

7、交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應的輸出，最后為儀表顯示記錄。相敏檢波他波相敏檢波他波0圖2-14差動雙臂電橋初始狀態(tài)時，電橋處于平衡狀態(tài)，00；當電容式傳感器發(fā)生變化時，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）運算放大器電路：運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算放大器的輸入端和輸出端之間，作為電路的負反饋元件，圖中，Cx是傳感器電容，C是固定電容，U0是輸出電壓信號。圖2-15運算放大器測量

8、電路經(jīng)推導，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系為反比關系，傳感器存在原理上的非線性。利用運算放大器的反相比例運算可以使轉換電路的輸出電壓與極距之間關系變?yōu)榫€性關系，從而使整個測試裝置的非線性誤差得到很大的減小。3）調頻電路：調頻測量電路如圖2-16所示，它把電容式傳感器與一個電感元件并聯(lián)在一起構成一個振蕩器的諧振電路。被測量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導致振蕩器諧振頻率的變化。頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉換成電壓的變化，經(jīng)過放大器放大后，即可用儀器指示或記錄儀記錄下來。調頻振蕩器艮%慘Er-鑒頻器放大器此1cZ2xJ圖2-16調頻電

9、路調頻測量電路的主要優(yōu)點是抗外來干擾能力強，特性穩(wěn)定，并且能取得較高的直流輸出信號。五、電容式傳感器的應用：電容式傳感器不但應用于位移、振動、角度、加速度及荷重等機械量的精密測量，還廣泛應用于壓力、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，當被測壓力通過過濾器6進入空腔5時，金屬彈性膜片1在兩側壓力差作用下，將凸向壓力低的一側。膜片和兩個鍍金玻璃圓片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凹玻璃圓片3金屬涂層4一輸出端子5空腔6過濾器7殼體圖2-17電容式差壓傳感器2）

10、電容式接近開關:I檢測極板2充填樹脂3-測量轉換電路4塑料外殼5靈敏度調節(jié)電位器6工作指示燈7信號電纜圖2-18電容式接近開關檢測極板設置在接近開關的最前端，測量轉換電路安裝在接近開關殼體內，用介質損耗很小的環(huán)氧樹脂填充、灌封。當沒有物體靠近檢測極時，檢測板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構成高品質因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（3CR）。當被檢測物體為地電位的導電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體等）時，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導致振蕩器停振。當不接地、絕緣被測物體接近檢測極板時，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，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負電荷分離，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（