傳感器技術(shù)應(yīng)用-3

1、2022年9月27日第3章 電容式傳感器 本章的主要內(nèi)容有:1.電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理;2.電容式傳感器的主要測量電路;3.電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型;4.電容式傳感器的典型應(yīng)用; 通過學(xué)習(xí)要求掌握電容式傳感器的正確選用方法。2022年9月27日第二章主要講述了電阻式傳感器，其主要內(nèi)容有：回顧：1、定義：電阻式傳感器2、分類：1）按工作的原理可分2）按制作方式分3、電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片1）原理：:是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。 基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。2022年9月27日3）金屬絲應(yīng)變片：對

2、金屬材料，導(dǎo)電率不變：2）應(yīng)變片的電阻變化率：4）半導(dǎo)體應(yīng)變計2022年9月27日4、應(yīng)變片測量電路VER1R2R3R42022年9月27日第3章 電容式傳感器 1、變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化2、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大及價格低廉。3、缺點(diǎn)：電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來一定的局限4、應(yīng)用：測量壓力、力、位移、振動、液位等參數(shù)。2022年9月27日3.1 電容式傳感器的原理與類型 電容式傳感器的基本工作原理如圖所示，從中可看出，A，d三個參數(shù)都直接影響著電容量C的大小。所以電容式傳感器可以分為三種類型：1、改變極板面積

3、的變面積式；2、改變極板距離的變間隙式；3、改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。 +A、A或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。2022年9月27日3.1.1 變面積式電容傳感器（1）直線位移型當(dāng)動極板移動x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為其靈敏度為變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線形關(guān)系。2022年9月27日下圖是角位移型電容式傳感器。 當(dāng)動片有一角位移時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時電容值為 角位移型+（2）角位移型2022年9月27日（3）園柱型電容傳感器 下圖是園柱型，當(dāng)動極板有一線位移時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化2

4、022年9月27日3.1.2 變間隙式電容傳感器 （改變極間距離） 下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。當(dāng)活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板之間的電容量C就改變了。 設(shè)極板面積為A，其靜態(tài)電容量為 ，當(dāng)活動極板移動x后，其電容量為 2022年9月27日例：電容式傳聲器2022年9月27日 4、一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來提高絕緣性，1、電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng) xd時，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系。2、要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d過小。3、當(dāng)d過小時，又容易引起擊穿，同時加工精度要求也高了。5、在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式結(jié)構(gòu)。 討論

5、：當(dāng)xd時 則2022年9月27日3.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器 1）當(dāng)電介質(zhì)改變時，電容量也會變化，可用下式表示。上圖為介質(zhì)面積變化的電容式傳感器。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。2022年9月27日振蕩電路感應(yīng)電極被測物體2）應(yīng)用舉例1：電容式接近開關(guān)測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)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(guān)的接通和關(guān)斷;接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。2:電容式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理2022年9月27日3.2 常用測量電路 3.2.

6、1 雙T電橋電路 1）測量電路電路原理如圖所示。圖中C1、C2為差動電容式傳感器的電容，RL為負(fù)載電阻，V1、V2為理想二極管，R1、R2為固定電阻。2）原理分析見下圖圖3.2.1 雙T電橋電路C1C2R2R1RLuV2V1常用電路有:雙T電橋電路、運(yùn)算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。2022年9月27日 當(dāng)V1導(dǎo)通、V2截止時C1充電；反之V1截止、V2導(dǎo)通時C2充電，由圖中可以看出，一路通過R1、RL，另一路通過R1、R2、V2，這時流過RL的電流為i1。 若C1或C2變化時，在負(fù)載RL上產(chǎn)生的平均電流將不為零，因而有信號輸出。 I. 有一個公共接地點(diǎn)。II.V1和V2工作在伏安特

7、性的線性段。III.輸出電壓較高。IV.靈敏度與電源頻率有關(guān)。 V.可以用作動態(tài)測量。3）雙T電橋電路的特點(diǎn)：2022年9月27日3.2.2 運(yùn)算放大器式測量電路 電路的原理如上圖所示。其輸出電壓以 代入上式，則有輸出電壓u0與動極片位移d成線性關(guān)系。 2022年9月27日3.2.3 脈沖調(diào)制電路 這種電路根據(jù)差動電容C1和C2的大小控制直流電壓的通斷，所得方波與C1和C2有確定的函數(shù)關(guān)系。線路的輸出端就是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端。 當(dāng)C1=C2時，兩個電容充電時間常數(shù)相等，兩個輸出脈沖寬度相等輸出電壓的平均值為零。反之不為零，且T1正比于C1，而T2正比于C2，輸出電壓為 可見，輸出電壓與電

8、容變化成線性關(guān)系。 2022年9月27日3.2.4 調(diào)頻電路 測量電路見下圖。當(dāng)電容變化時導(dǎo)致振蕩頻率變化，再通過監(jiān)頻電路將其轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。 振蕩頻率為2022年9月27日3.3 電容式傳感器的應(yīng)用 3.3.1 在物位測控中的應(yīng)用 3.3.1.1 LP-5000系列電容物位變送器 可用于高壓、真空、高溫、低溫、密封罐內(nèi)的酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕液體、強(qiáng)震動等的液位、料位測量，卻是許多種類的物、液位計望塵莫及的。 3.3.1.2 CTS-DFD電容式物位限位開關(guān) 這是一種具有高-高、高、低、低-低四點(diǎn)報警開關(guān)量輸出的射頻電容式物位開關(guān)，可用于各種物料作物位高度

9、的粗略顯示，或同時作物位高度的控制和報警使用。2022年9月27日3.3.2 在壓力測量中的應(yīng)用 3.3.2.1 CCPS32陶瓷電容壓力傳感器 CCPS32干式陶瓷電容厚膜壓力傳感器的高輸出，廣量程，特別適合制造高性能的工業(yè)控制用壓力變送器。大圓形膜片表面平整、易安裝，是歐美E+H、ABB、SIEMENS、H&、VEGA等公司壓力變送器生產(chǎn)首選傳感器。3.3.2.2 FB0802陶瓷電容型壓力變送器 FB0802陶瓷電容壓力變送器采用具有國際先進(jìn)水平的陶瓷電容傳感器，配合高精度電子元件，經(jīng)嚴(yán)格的工藝過程裝配而成。抗過載和抗沖擊能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，并有很高的測量精度。2022年9月27日 3.3

10、.2.3 1151系列電容式變送器 1151系列電容式變送器是引進(jìn)美國羅斯蒙特公司技術(shù)制造的產(chǎn)品,具有設(shè)計原理新穎、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡便、本質(zhì)安全防爆等特點(diǎn)。其外形結(jié)構(gòu)如圖所示。 1）工作原理 被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離膜片和元 件內(nèi)的填充液傳到預(yù)張緊的測量膜片兩側(cè)。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容就不等，通過檢測，放大轉(zhuǎn)換成4-20mA的2022年9月27日 2）主要特點(diǎn) I. 精度高、穩(wěn)定性好、價格比同類進(jìn)口便宜； II.采用二線制的工作方式； III.敏感元件小型堅固，抗振能力

11、強(qiáng)； IV.量程和零位可從外部連續(xù)調(diào)節(jié)； V.主要部件可與1151同類產(chǎn)品進(jìn)行互換； VI.可靠性好，質(zhì)量穩(wěn)定， VII.故障率少； VIII. 正遷移可達(dá)500，負(fù)遷移可達(dá)600； 2022年9月27日3.3.3 在位移測量中的應(yīng)用 3.3.3.1 capaNCDT610 電容式位移傳感器其結(jié)構(gòu)如左圖所示。傳感器產(chǎn)生的交流電壓與電容電極之間的距離成正比，經(jīng)檢波器與一個可設(shè)置的補(bǔ)償電壓疊加經(jīng)放大后作為模擬信號輸出。 1) 應(yīng)用領(lǐng)域主要用于震動、偏心、裂紋、振蕩、同心度、位移、膨脹、撓度、波動、傾斜、尺寸公差、另件識別、 沖擊、軸向振動、軸承振動和油膜間隙等。 2022年9月27日 2）特點(diǎn)：

12、I.工作時無磨損，免維修； II. 高的零點(diǎn)穩(wěn)定性和精度； III. 幾乎與溫度無關(guān)； IV. 傳感器對被測體沒有作用力； V. 與被測體導(dǎo)電性能，以及導(dǎo)電性能變化無關(guān)； 2022年9月27日3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 它是一個精密的單通道系統(tǒng)，它由電容位移傳感器，傳感器電纜和處理信號的前置器組成。用戶可以在現(xiàn)場用二點(diǎn)線性化方法校準(zhǔn)。如下圖主要由傳感器、電纜、前置放大器、供電電纜和電源五個部分。2022年9月27日 其中，前置器DT610：供電15VDC；輸出0 10V；（可選）DC24：供電DC24VDC；輸出0 10V；或DC9/36：供電9 36VDC；輸出0 10V。 4）技術(shù)參數(shù) 在室溫20，傳感

13、器電纜長為1米的情況下測得的。在被測材料為金屬材料時，測量信號線性特性，不需重新校準(zhǔn)。導(dǎo)電性能的變化不會影響傳感器靈敏度和線性。 2022年9月27日 5）線性化校準(zhǔn) 它在出廠時已用金屬材料校準(zhǔn)好，輸出0 10V。 在精度低時測量范圍可擴(kuò)展2 - 3倍，如下圖所示。 6）傳感器和電纜 傳感器帶有保護(hù)環(huán)，它用1米長電纜同前置器連接起來。應(yīng)用時，無須再校準(zhǔn)，靈敏度誤差在0.5 1%以內(nèi)。特殊傳感器請咨詢。所有傳感器無安裝座，也能簡單安裝。固定通常用埋頭螺釘或者開口夾（如右圖所示）。2022年9月27日3.3.3.2 TR230型容柵測微傳感器 1) 工作原理 如圖所示，容柵傳感器是一種無差調(diào)節(jié)的閉

14、環(huán)控制系統(tǒng)，基本測量部分是一個差動電容器，它是利用電容的電荷耦合方式將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變成為電信號的相應(yīng)變化量，將該電信號送入電子電路后，再經(jīng)過一系列變換和運(yùn)算后顯示出機(jī)械位移量的大小。 2) 外型尺寸 具體結(jié)構(gòu)尺寸為：TR230型的L0=31（mm），L=194（mm）；2022年9月27日 3）技術(shù)指標(biāo) I. 測量范圍：0-30mm/0-50mm/0-100mm II. 分辨率：0.01mm、0.005mm III. 測力：2.5N IV. 最大移動速度：1.5M/s V. 工作溫度：10-40 VI. 存儲溫度：0-55 2022年9月27日3.3. 4 電容式指紋傳感器 電容式指紋傳感器有

15、單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態(tài)指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進(jìn)行信息采集。3.3.4.1 指紋檢測 人類的指紋由緊密相鄰的凹凸紋路構(gòu)成，通過對每個像素點(diǎn)上利用標(biāo)準(zhǔn)參考放電電流，便可檢測到指紋的紋路狀況。每個像素先預(yù)充電到某一參考電壓，然后由參考電流放電。電容陽極上電壓的改變率與其上的電容成下面的比例關(guān)系： Iref=Cdv/dt 處于指紋的凸起下的像素(電容量高)放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素(電容量低)放電較快。2022年9月27日3.3.4.2 信息及認(rèn)證 便攜式低成本指紋識別技術(shù)對我們的生活意義深遠(yuǎn)。例如，今后警察可在一個犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人，要求其提供

16、指紋而不是身份證或汽車駕照。此人則將其右手的第一、二或第三個手指置于一個與無線PDA相連的傳感器上，可以迅速將嫌疑人與以前的犯罪記錄進(jìn)行對比確認(rèn)。 這種識別技術(shù)對于被盜的手機(jī)用戶也有好處。手機(jī)開機(jī)時要求用戶通過一個快速的認(rèn)證過程，用戶將其手指劃過傳感器，如果通過認(rèn)證則授權(quán)使用手機(jī)的各項功能。如果不是授權(quán)用戶，手機(jī)便繼續(xù)保持鎖住。如果連續(xù)幾次認(rèn)證無法通過，則手機(jī)會刪除存儲器中的關(guān)鍵信息然后關(guān)機(jī)。2022年9月27日3.4 電容式接近開關(guān)電路的設(shè)計與制作一、結(jié)構(gòu)原理與類型 1、工作原理如圖所示：+A、A或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。2022年9月27日2、 變間隙式電容傳感器 其靜態(tài)電容量為

17、當(dāng)活動極板移動x后，其電容量為2022年9月27日二、電容式接近開關(guān)1、原理框圖 2022年9月27日振蕩電路感應(yīng)電極被測物體2、電容式接近開關(guān) 測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)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(guān)的接通和關(guān)斷;接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。2022年9月27日3、實物圖2022年9月27日4、電路原理 2022年9月27日5、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)

18、檢查無誤后再把CD4093插入插座。2）電容C4是靈敏度調(diào)節(jié)電容，若需要該電路以最大靈敏度工作時，可以先調(diào)節(jié)C4使繼電器剛好吸合，再調(diào)節(jié)C4使繼電器剛好斷開，然后用高頻蠟或絕緣漆把C4封牢即可。 2022年9月27日三、其它應(yīng)用實例1、電容式傳聲器2022年9月27日2022年9月27日2、電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為z,頻率為f,則轉(zhuǎn)速為: (4.2022年9月27日3、電容式測厚儀: 測量金屬帶材在軋制過程中厚度，C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容， 其總電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材

19、在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。 2022年9月27日 4、 1151系列電容式變送器 1151系列電容式變送器是引進(jìn)美國羅斯蒙特公司技術(shù)制造的產(chǎn)品,具有設(shè)計原理新穎、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡便、本質(zhì)安全防爆等特點(diǎn)。其外形結(jié)構(gòu)如圖所示。2022年9月27日 1）工作原理 被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離膜片和元 件內(nèi)的填充液傳到預(yù)張緊的測量膜片兩側(cè)。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容就不等，通過檢測，放大轉(zhuǎn)換成4-20mA的2022年9月27日 2）主要特點(diǎn) I. 精度高、穩(wěn)定性好、價格比同類進(jìn)口便宜； II.采用二線制的工作方式； III.敏感元件小型堅固，抗振能力強(qiáng)； IV.量程和零位可從外部連續(xù)調(diào)節(jié)； V.主要部件可與1151同類產(chǎn)品進(jìn)行互換； VI.可靠性好，質(zhì)量穩(wěn)定， VII.故障率少； VIII. 正遷移可達(dá)500，負(fù)遷移可達(dá)600； 2022年9月27日四、知識拓展電容式觸摸傳感器 電容式觸摸傳感器基本上可以分成三類：