傳感器及檢測技術(shù)ppt課件

1、上節(jié)回顧上節(jié)回顧:本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容:1.電容傳感器電容傳感器1.電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器3.熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器4.熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器第第3 3章章 電容傳感器電容傳感器 本章學習電容傳感器的原理及應(yīng)本章學習電容傳感器的原理及應(yīng)用，還涉及壓力、液位及流量的測量用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。方法。簡介簡介n電容式傳感器是將被測非電量如尺寸、壓力等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。的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。 壓差變送器壓差變送器 接近開關(guān)接近開關(guān) 三軸加速度三軸加速度傳

2、感器傳感器 物位開關(guān)物位開關(guān) 第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)形式 上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？幾種類型的電容傳感器？ 0 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)形式 改變改變A、d、 三個參量中的任意一個量，均可三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量使平板電容的電容量C 改動。改動。 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。

3、容傳感器。 0 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器 平面形直線位移式平面形直線位移式 圓柱形直圓柱形直線位移式線位移式 角角位位移移式式 一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器 圖圖a a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1 1可以左右移動，可以左右移動，稱為動極板。極板稱為動極板。極板2 2固定不動，稱為定極板。圖固定不動，稱為定極板。圖b b是同心圓筒形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、下直線運動。圖線運動

4、。圖c c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2 2的軸由被測物體帶的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移動而旋轉(zhuǎn)一個角位移 度時，兩極板的遮蓋面積度時，兩極板的遮蓋面積A A就減小，因就減小，因而電容量也隨之減小。而電容量也隨之減小。變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，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。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！請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！二、變極距式

5、電容傳感器二、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了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。，從而使電容量發(fā)生變化。 實際使用時，總是使初始極距實際使用時，總是使初始極距d0盡盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變量小些，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。極距式電容器的行程較小的缺點。變極距式電容傳感器的特性曲線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)使當從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當d0d0小小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距些還是大些？當變極距式

6、電容傳感器的初始極距d0d0較較小時，它的測量范圍變大還是變??？小時，它的測量范圍變大還是變小？ a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 b電容量與極板距離的關(guān)系電容量與極板距離的關(guān)系1定極板定極板 2動極板動極板 三、變介電常數(shù)式三、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。就不同。表表5-1 5-1 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)變介電常數(shù)式電容傳感器的用途變介電常數(shù)式電容傳感器的用途 根據(jù)表根據(jù)表5-1，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器，分析

7、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？可以用于測量什么時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？非電量？第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路- -電橋電橋 nCx為電容傳感器，沒為電容傳感器，沒有變化時，有變化時，n 輸出電壓輸出電壓U0=0。nCx變化時，變化時，U00，由此可測得電容的變由此可測得電容的變化值?；?。 321CCCCxw相鄰的兩臂接入相鄰的兩臂接入差動式電容傳感差動式電容傳感器。空載時的輸器?？蛰d時的輸出電壓

8、為出電壓為 UCCU00第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路 （調(diào)頻電路（調(diào)頻電路 ） 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC 振蕩器諧振振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx 發(fā)發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 式中哪些量是變量？式中哪些量是變量？01 5-22fL C調(diào)頻式測量轉(zhuǎn)換電路調(diào)頻式測量轉(zhuǎn)換電路 n當輸入量導致傳感器的電容量發(fā)生變化時，振蕩器當輸入量導致傳感器的電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率也相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感

9、器的振蕩頻率也相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻式。輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻式。n在實現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換后，再用鑒頻器把頻率在實現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換后，再用鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，經(jīng)放大后輸出，進行顯的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，經(jīng)放大后輸出，進行顯示和紀錄示和紀錄 調(diào)頻調(diào)頻FM電路電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？ TTL高電平高電平3.6-5V ,低電平低電平0-2.4V運算放大器式測量轉(zhuǎn)換電路運算放大器式測量轉(zhuǎn)換電路 n輸出電壓輸出電壓n如果傳感器為平板形如果傳感器為平板形n 電容器，那么電容器，那

10、么 n此電路能解決變極距型電容式傳感器的非線此電路能解決變極距型電容式傳感器的非線性問題性問題 ixoUCCUdACUUio第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容器的容量受三個因素影響，即：極距電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積相對面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。固定其中兩個變。固定其中兩個變 量，電容量量，電容量C 就是另一個變量的一元函數(shù)。只要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)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

11、電測的目的。來達到非電量電測的目的。 電容式壓差傳感器電容式壓差傳感器 1-1-硅油硅油 2-2-隔離膜隔離膜 3-3-焊接焊接密封圈密封圈 4-4-測量膜片動電測量膜片動電極）極） 5-5-固定電極固定電極 構(gòu)造 外形 應(yīng)用測量液位 二、硅微加工加速度傳感器二、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細加工圖示加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度技術(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振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為加速度。其工作電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個加速度測量范圍為數(shù)個g g，可輸出，可輸出與加速度成

12、正比的電壓也可輸出占與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM PWM 脈沖。脈沖。微加工三軸加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標：技術(shù)指標： 靈敏度：靈敏度：500mV/g 500mV/g ， 量程：量程：10g10g， 頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz0.5-2000Hz，安裝諧振點安裝諧振點:8kHz :8kHz ， 分辨力：分辨力：0.00004g 0.00004g ， 分量：分量：200g 200g ， 安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm M5 mm ， 線性誤差：線性誤差：1% 1% 硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加

13、速度測試單元加速度測試單元 22信號處理電路信號處理電路 33襯底襯底 44底層多晶硅下電極）底層多晶硅下電極） 55多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 66頂層多晶硅上電極）頂層多晶硅上電極） 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)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。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，所以硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所

14、以相當于懸臂梁。相當于懸臂梁。 當它感受到上下振動時，當它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將C 轉(zhuǎn)換成直流轉(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。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)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)可達可達1kHz以上，允許加速度范圍可達以上，允許加速度范圍可達10g 以上。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如果在殼體內(nèi)的三個相

15、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。器，就可以測量三維方向的振動或加速度。加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用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。當測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(shè)定值時，得的負加速度值超過設(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，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。托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊汽車氣囊的保護作

16、用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)使氣囊迅速充氣撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 汽車氣囊對駕駛員的保護作用汽車氣囊對駕駛員的保護作用3. 運用運用 -電容式測厚儀電容式測厚儀 n在被測帶材的上下兩在被測帶材的上下兩側(cè)各裝設(shè)一塊面積相側(cè)各裝設(shè)一塊面積相等且與帶材距離相等等且與帶材距離相等的極板，這樣兩極板的極板，這樣兩極板與帶材之間形成兩個與帶材之間形成兩個電容電容C1C1、C2C2。 1-帶材 2-軋輥 3-工作電極 w帶材在軋制過程中若發(fā)生厚度變化，將引起電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

17、將電容的變化檢測容的變化，再調(diào)頻測量電路將電容的變化檢測出來，經(jīng)過單片機處理，即可由顯示面板顯示出來，經(jīng)過單片機處理，即可由顯示面板顯示出帶材厚度的變化。出帶材厚度的變化。 一、電容式液位計一、電容式液位計 棒狀電極金屬管外棒狀電極金屬管外面包裹聚四氟乙烯套管，當面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是

18、給出開關(guān)量。當液位到達設(shè)定開關(guān)量。當液位到達設(shè)定值時，它輸出低電平。但值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平的型號。的型號。液位限位傳感器液位限位傳感器的設(shè)定的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：定方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，用手指壓住設(shè)定按鈕，當液位達到設(shè)定值時，放開當液位達到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當水位高定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。號和控制信號。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈超限燈正常工作正常工作指示燈指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源電源 指示燈指示燈四、電容式油量表四、電容式油量表 機械式油量表：機械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流盤電位器，由電流表指示出油量。表指示出油量。電容式油量表電容式油量表 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆