傳感器及檢測技術(shù)3(3)課件

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2/6/20231第3章電容傳感器本章學(xué)習(xí)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。2/6/20232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)

2/6/20233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、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2/6/20235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2/6/20236一、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(yùn)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。2/6/20237二、變極距式電容傳感器

當(dāng)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。2/6/20239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(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)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?。縜）

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—動極板

2/6/202310三、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)2/6/202311第二節(jié)電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2/6/202313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，U0≠0，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?？蛰d時的輸出電壓為

2/6/2023142/6/2023152/6/2023172/6/202318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(dāng)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？2/6/202319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0-2.4V2/6/202321運(yùn)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

2/6/2023222/6/202323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(dá)到非電量電測的目的。

2/6/2023252/6/202326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

2/6/202327二、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），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，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。2/6/202329微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2/6/202330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）2/6/202331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(dāng)于懸臂梁。

當(dāng)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ΔC轉(zhuǎn)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(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)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。2/6/202332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(dāng)測得的負(fù)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2/6/202333汽車氣囊的保護(hù)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。2/6/202334汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用2/6/2023353.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(jī)處理，即可由顯示面板顯示出帶材厚度的變化。

2/6/2023362/6/2023372/6/202338一、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(dāng)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。

聚四氟乙烯外套2/6/202339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(dāng)液位到達(dá)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。2/6/202340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(dāng)液位達(dá)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(dāng)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2/6/202341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2/6/202342四、電容式油量表

機(jī)械式油量表：在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2/6/202343電容式油量表當(dāng)油箱中注滿油時，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，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機(jī)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(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機(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)？2/6/202344電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示2/6/202345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2/6/202346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)。多孔氧化鋁可以從含有水分的氣體中吸收水蒸氣或從含水液體介質(zhì)中吸收