電容式傳感器教案

1、 任課教師授課班級(jí)12秋機(jī)電(1)、(2)班課時(shí)安排4個(gè)課時(shí)專業(yè)、層次中職課題內(nèi)容模塊二力傳感器任務(wù)3電容式傳感器教學(xué)重點(diǎn)1.電容式傳感器的工作原理和分類方法。教學(xué)難點(diǎn).電容式傳感器的測(cè)量電路。.電容式傳感器典型應(yīng)用的工作原理。課程目標(biāo).學(xué)會(huì)電容式傳感器測(cè)力的工作原理。.熟悉電容式傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的工作特點(diǎn)。課的類型新授課教學(xué)策略講授法、多媒體教學(xué)教學(xué)方法與手段講授、問(wèn)答等教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程及時(shí)間分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法的運(yùn)用一、組織教學(xué)1、點(diǎn)名檢查學(xué)生出勤情況。2、填寫教學(xué)記錄表。二、導(dǎo)入新課三、新課講授一、電容式傳感器簡(jiǎn)介：電容式傳感器是一種將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化，再通過(guò)測(cè)量電

2、路檢測(cè)出電容量的變化，轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，就可以做出測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)以及可以進(jìn)行非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，非常適合在高潮濕、高塵埃及超高低溫等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)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(zhì)的兩個(gè)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(duì)覆蓋面積；d極板間距離；J-相對(duì)介電常數(shù)；0-真空介電常數(shù)；電容極板間介質(zhì)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(gè)參數(shù)不變，僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)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(zhì)保持不變，則電容量C隨極距d按非線性關(guān)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(guò)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(zhì)。何智構(gòu)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(lái)測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)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(shí)的極距、介質(zhì)等保持不變，

4、被測(cè)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(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)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(lái)測(cè)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(cè)量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來(lái)測(cè)量?jī)蓸O板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)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(guān)系，只要測(cè)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(jiàn)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(shù)脂中制成。它的特點(diǎn)是介質(zhì)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(zhì)，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質(zhì)薄膜做極板制成。它的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)和紙介電容相同，介質(zhì)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(zhì)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(cè)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(cè)量電路檢測(cè)出電容的微小變化量，并將其轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，以便于記錄、傳輸、顯示和控制。用于電容式傳感器的測(cè)量電路有很多種，常見(jiàn)的有橋式電路、運(yùn)算放大器電路、調(diào)頻電路等。1）橋式電路：將電容式傳感器接在電橋的一個(gè)橋臂或兩個(gè)橋臂上，其他橋臂是固定電阻、電容或電感，就可以構(gòu)成單臂電橋或雙臂電橋的測(cè)量電路。圖2-14為差動(dòng)雙臂電橋，變壓器的兩個(gè)二次繞組L1、L2與差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容C1、C2作為電橋的4個(gè)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(diào)幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測(cè)量變化相對(duì)應(yīng)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(dòng)雙臂電橋初始狀態(tài)時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，00；當(dāng)電容式傳感器發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡而有電壓輸出。差動(dòng)雙臂電橋的輸出電壓是單臂電橋輸出電壓的兩倍。2）運(yùn)算放大器電路：運(yùn)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(diǎn)可以把它作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。如圖2-15所示，將電容式傳感器跨接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間，作為電路的負(fù)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(hào)。圖2-15運(yùn)算放大器測(cè)量

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

9、路調(diào)頻測(cè)量電路的主要優(yōu)點(diǎn)是抗外來(lái)干擾能力強(qiáng)，特性穩(wěn)定，并且能取得較高的直流輸出信號(hào)。五、電容式傳感器的應(yīng)用：電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精密測(cè)量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測(cè)量。1）電容式差壓傳感器：如圖2-17所示，當(dāng)被測(cè)壓力通過(guò)過(guò)濾器6進(jìn)入空腔5時(shí)，金屬?gòu)椥阅て?在兩側(cè)壓力差作用下，將凸向壓力低的一側(cè)。膜片和兩個(gè)鍍金玻璃圓片2之間的電容量發(fā)生變化，由此可測(cè)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(cè)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(guò)濾器7殼體圖2-17電容式差壓傳感器2）

10、電容式接近開(kāi)關(guān):I檢測(cè)極板2充填樹(shù)脂3-測(cè)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(hào)電纜圖2-18電容式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)極板設(shè)置在接近開(kāi)關(guān)的最前端，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開(kāi)關(guān)殼體內(nèi)，用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹(shù)脂填充、灌封。當(dāng)沒(méi)有物體靠近檢測(cè)極時(shí)，檢測(cè)板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（3CR）。當(dāng)被檢測(cè)物體為地電位的導(dǎo)電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體等）時(shí)，檢測(cè)極板對(duì)地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導(dǎo)致振蕩器停振。當(dāng)不接地、絕緣被測(cè)物體接近檢測(cè)極板時(shí)，由于檢測(cè)極板上施加有高頻電壓，在它附近產(chǎn)生交變電場(chǎng)，被檢測(cè)物體就會(huì)受到靜電感應(yīng)，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負(fù)電荷分離，使檢測(cè)極板的對(duì)地等效電容量增大，使LC振蕩電路的Q值降低。對(duì)能量損耗較大的介質(zhì)（