傳感器與檢測技術(shù)第四章

傳感器與檢測技術(shù)第四章2023/7/29第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路24.1電容式傳感器的工作原理14.3電容式傳感器的應用3目錄2023/7/29第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月知識目標：（1）了解電容式傳感器的分類及特點。

（2）掌握電容式傳感器的工作原理及測量轉(zhuǎn)換電路。（3）熟悉電容式傳感器在工程上的應用。教學目標技能目標：（1）能夠根據(jù)檢測要求選擇合適的電阻式傳感器。（2）能夠正確使用電容式傳感器進行位移測量。（3）能夠正確維護常用電子檢測設備。2023/7/29第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月情感目標：（1）養(yǎng)成良好的工作責任心、堅強的意志力和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L。（2）培養(yǎng)良好的合作精神、創(chuàng)新精神和競爭意識。教學重難點教學重點：電容式傳感器的工作原理和應用。教學難點：電容式傳感器的測量電路。2023/7/29第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1電容式傳感器的工作原理電容傳感器的基本理想公式為：dAε

A:極板正對面積

d:兩極板間的距離ε:兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)εr：相對介電常數(shù)ε0：真空介電常數(shù)2023/7/29第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。

變極距(δ）型:(g)、（h）變面積型(A)型:(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)

2023/7/29第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1變面積式電容傳感器（a）角位移式電容傳感器圖4-3變面積式電容傳感器的原理圖

圖a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。兩極板間的電容：

電容的變化量為：2023/7/29第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（b）直線位移式電容傳感器圖b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。兩極板間的電容：

電容的變化量為：2023/7/29第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

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！變面積式電容傳感器的特性2023/7/29第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2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。電容的變化量為：兩極板間的電容：

若△d/d0<<1，則≈1，即電容的變化量為：若△d/d0<<1，則≈1，即電容的變化量為：若△d/d0<<1，則≈1，即電容的變化量為：2023/7/29第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月變極距式電容傳感器的特性曲線

a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關系1—定極板2—動極板

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應使當d0小些還是大些？2023/7/29第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-5兩極板間采用云母片作為介質(zhì)的電容2023/7/29第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-6差動平板式電容傳感器原理圖

C-△CC+△C2023/7/29第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月差動的好處靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善抵消外界的影響2023/7/29第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.3變介電常數(shù)式電容傳感器

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4-1幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)2023/7/29第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月變介電常數(shù)式電容傳感器的用途

根據(jù)表4-1，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？圖4-7變介電常數(shù)式電容傳感器的原理圖2023/7/29第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路4.2.1橋式電路1.單臂橋式電路（a）單臂橋式電路圖4-8電容式傳感器的橋式電路平衡條件：2023/7/29第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.差動橋式電路（b）差動橋式電路圖4-8電容式傳感器的橋式電路差動橋式電路的輸出電壓Uo與電容的變化量呈線性關系。

2023/7/29第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2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C0

發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應的變化。

電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？2023/7/29第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-9調(diào)頻電路的原理圖202023/7/29第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月當被測信號為零時，調(diào)頻振蕩器的固有頻率（一般應選在1MHz以下）為振蕩電路的總電容一般包括電容式傳感器的電容、諧振電路中的固有電容C1和電纜電容Cc。

當被測信號不為零時，≠0，調(diào)頻振蕩器的頻率調(diào)頻振蕩器輸出的高頻電壓將是一個受被測信號調(diào)制的調(diào)制波。

2023/7/29第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月用調(diào)頻系統(tǒng)作為電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路主要有以下特點：（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，所以易用于數(shù)字儀器和計算機接口。2023/7/29第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3運算放大器電路

由于運算放大器電路的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗很高，輸出電阻小，因而采用運算放大器電路作為電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路是比較理想的。圖4-10運算放大器電路的原理圖2023/7/29第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月由運算放大器電路的工作原理可得2023/7/29第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4二極管雙T形電橋電路

圖4-11二極管雙T形電橋電路的原理圖2023/7/29第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月若C1或C2變化，則在一周期內(nèi)流過RL的平均電流不為零，因此，有電壓信號輸出，輸出電壓在一個周期內(nèi)的平均值為

當為已知時，則為一常數(shù)，故上式又可寫成2023/7/29第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3電容式傳感器的應用

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。

2023/7/29第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-12電容測厚儀的工作原理1—扎輪；2—定極板；3—被測金屬帶材；4—導向輪4.3.1電容測厚儀2023/7/29第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月在被測金屬帶材3的上下兩側(cè)各放置一塊面積相等、與帶材距離相等的定極板2，這樣定極板2與被測金屬帶材3之間就形成了兩個電容C1和C2。把兩塊極板用導線連接起來就相當于C1與C2并聯(lián)，總電容為C1+C2。如果被測金屬帶材3的厚度發(fā)生變化，則引起電容量的變化，用測量轉(zhuǎn)換電路將電容的變化檢測出來，經(jīng)過放大即可由電表顯示測量結(jié)果。2023/7/29第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-13差動電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖304.3.2電容式壓力傳感器2023/7/29第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）

（b）

圖4-14電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖4.3.3電容式加速度傳感器2023/7/29第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月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，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。2023/7/29第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月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）2023/7/29第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。2023/7/29第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月加速度傳感器在汽車中的應用裝有傳感器的假人氣囊35

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。

2023/7/29第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車氣囊對駕駛員的保護作用2023/7/29第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月機械式油量表：4.3.4油箱油量檢測系統(tǒng)

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。2023/7/29第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式油量表

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?。瑫r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)？2023/7/29第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-17圓柱形電容式接近開關的結(jié)構(gòu)示意圖1—檢測電極；2—充填樹脂；3—測量轉(zhuǎn)換電路；4—塑料外殼；5—靈敏度調(diào)節(jié)電位器；6—工作指示燈；7—信號電纜394.3.5電容式接近開關2023/7/29第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電容式接近開關的工作原理

當被測物體接近檢測電極時，被測物體會受到靜電感應而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測物體越接近檢測電極，檢測電極上的電荷就越多。由于檢測電極的靜電電容C＝Q／U，所以電荷的增多，使電容C隨之增大，從而使高頻振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。2023/7/29第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開關外形齊平式非齊平式2023/7/29第41頁，課件共46頁，創(chuàng)作于20