檢測與傳感第五章

檢測與傳感技術(shù)上節(jié)內(nèi)容復習第5章

電容式傳感器

4.電容式傳感器分類1.原理被測量電容變化電壓電流2.特點體積小、非接觸與電感式的區(qū)別：電感多對金屬物測量（抗干擾能力差）電容對金屬、非金屬3.計算公式變極距型變面積型變介質(zhì)型5.非線性誤差（只有變極距型有非線性誤差）非線性誤差消除方法：差動式()由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高,運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。下圖是運算放大器式電路原理圖。2.運算放大器式電路圖中Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓;Uo是輸出信號電壓;Σ是虛地點。5.4電容式傳感器的測量電路式中“-”號表示輸出電壓Uo的相位與電源電壓反相。上式說明運算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。如果傳感器是一只平板電容，則Cx=εA/d，代入上式，可得：

由運算放大器工作原理可得：【注】：這種測量電路最大的特點在于能夠克服變極距型電容傳感器的非線性！下圖是二極管雙T形交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供了幅值為U的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。3.二極管雙T形交流電橋

圖5-13二極管雙T形交流電橋若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I2,此時在一個周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為：（5-34）式中,f為電源頻率。當RL已知，式（5-34）中:則式(5-34)可改寫為:（5-35）從式（5-35）可知，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。脈沖寬度調(diào)制電路是利用對傳感器電容的充、放電，使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，并通過低頻濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。

a．原理

脈沖寬度調(diào)制電路如下圖所示。4.脈沖寬度調(diào)制電路脈沖調(diào)制電路的輸出波形a）C1=C2時的波形b）C1>C2時的波形

①

可以獲得比較好的線性輸出。

②雙穩(wěn)態(tài)的輸出信號一般為100Hz~1MHz的矩形波，只需要經(jīng)濾波器簡單處理后即可獲得直流輸出。

③電路采用直流電源，比高頻信號源穩(wěn)定。

b.特點差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。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。

5.5電容式傳感器的應(yīng)用1.電容式壓力傳感器差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動電容器。

當被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。2.電容式加速度傳感器差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。Colibrys

MS9000系列是一個電容式MEMS加速度計，它是由一個立體微加工工藝支撐的硅元件，一個低功耗ASIC專用信號處理器和一個存儲補償值的微控制器以及一個溫度傳感器等元件組成。該產(chǎn)品是一個低功耗的、校準的、功能強大和性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，其電子配置中帶有一個電源重置以防止電壓不穩(wěn)的全保護裝置。

超小型，8.9mm

x

8.9mm具有從±2g到±250g廣泛的加速度測量范圍可在較大的溫度范圍應(yīng)用器件零位穩(wěn)定保證在幾mg以內(nèi)適用于惡劣的使用環(huán)境和耐用度要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用當測得的負加速度值超過設(shè)定值時，氣囊電控單元據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，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。裝有多種碰撞參數(shù)測量傳感器的假人氣囊汽車氣囊的膨脹狀態(tài)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。如果碰撞傳感器安裝在側(cè)面，則在側(cè)面碰撞時，側(cè)面氣囊膨脹。汽車氣囊對駕駛員的保護作用

電容式加速度傳感器的主要特點是:

頻率響應(yīng)快和量程范圍大;

大多采用空氣作阻尼物質(zhì)。電容測厚儀是用來測量金屬帶材在軋制過程中的厚度的儀器，其工作原理右圖所示。

3.電容測厚儀

在被測金屬帶材的上、下兩側(cè)各安裝一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，并把這兩快極板用導線連接起來，作為傳感器的一個電極板，而金屬帶材就是電容傳感器的另一個極板。

a．電容測厚儀結(jié)構(gòu)1—金屬帶材，2—電容極板，3—傳動輪，4—軋輥。其總的電容量C就應(yīng)是兩個極板間的電容之和（C=C1+C2）。b．原理如果帶材的厚度發(fā)生變化，用交流電橋電路就可將這一變化檢測出來，然后再經(jīng)過放大就可在顯示儀器上把帶材的厚度變化顯示出來。接近開關(guān)也叫近接開關(guān)，又稱無觸點行程開關(guān)，它除可以完成行程控制和限位保護外，還是一種非接觸型的檢測裝置，用作檢測零件尺寸和測速等，也可用于變頻計數(shù)器、變頻脈沖發(fā)生器、液面控制和加工程序的自動銜接等。特點有工作可靠、壽命長、功耗低、復定位精度高、操作頻率高以及適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等。電容式接近開關(guān)渦流式接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)光電式接近開關(guān)

超聲波接近開關(guān)

微波接近開關(guān)4.電容式接近開關(guān)

a．結(jié)構(gòu)其中裝在傳感器主體上的金屬板為定板，而被測物體上的相對應(yīng)位置上的金屬板相當于動板。

b．工作原理以電極為檢測端的靜態(tài)感應(yīng)方式，由高頻振蕩、檢波、放大、整形及輸出等部分組成。

當被測物體接近開關(guān)的作用表面時由于兩者之間的距離發(fā)生了變化，回路中的電容量將發(fā)生變化，使得高頻振蕩器的振蕩減弱直至停振。電容式接近開關(guān)振蕩器的振蕩及停振這兩個信號是由電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號后送至后續(xù)開關(guān)電路，從而完成傳感器按預先設(shè)置的條件發(fā)出信號，控制或檢測機電設(shè)備，使其正常工作的任務(wù)。

1－被測物2－上檢測極板（或內(nèi)圓電極）3－下檢測極板（或外圓電極）4－充填樹脂5－測量轉(zhuǎn)換電路板6－塑料外殼7－靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP8－動作指示燈9－電纜UR－比較器的基準電壓工作原理:電容接近開關(guān)的感應(yīng)板由兩個同心圓金屬平面電極構(gòu)成。當沒有被測物體靠近電容接近開關(guān)時，由于C1與C2很小，RC振蕩器停振。當被測物體朝著電容接近開關(guān)的兩個同心圓電極靠近時，兩個電極與被測物體構(gòu)成電容C，接到RC振蕩回路中，等效電容C等于C1、C2的串聯(lián)結(jié)果。當C增大到設(shè)定數(shù)值后，RC振蕩器起振。振蕩器的高頻輸出電壓uo經(jīng)二極管檢波和低通濾波器，再經(jīng)直流電壓放大電路放大后，Uo1與靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP設(shè)定的基準電壓UR進行比較。若Uo1超過基準電壓時,比較器翻轉(zhuǎn),輸出動作信號(高電平或低電平),從而起到了檢測有無物體靠近的目的。電容式接近開關(guān)外形齊平式非齊平式全密封防水式遠距離式（大量程）電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示電容式接近開關(guān)在液位物位測量控制中的使用對應(yīng)的光柱顯示電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套5.電容式液位計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。當液位到達設(shè)定值時，它輸出低電平（或高電平）。

智能化液位傳感器的設(shè)定方法：用手指壓住設(shè)定按鈕，當液位達到設(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)定按鈕電源指示燈機械式油量表：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。6.電容式油量表電容式油量表示意圖1－油箱2－圓柱形電容器3－伺服電動機4－減速箱5－油量表電容量越大，所接收到的電臺的頻率就越低電容器在收音機中用于調(diào)整所要接收的電臺的頻率7.電容式傳感器在收音機中的應(yīng)用例：有一臺變間隙非接觸式電容測位移，其傳感器的極板半徑r=4mm，假設(shè)與被測工件的初始間隙d0=0.3mm。試求：傳感器與工件的間隙變化量△d=±10μm，電容變化量為多少?

如果考慮d1=0.3mm+10μm與d2=0.3mm﹣10μm之間的電容變化量ΔC′，則應(yīng)為：

ΔC′=2|ΔC|=2×0.049=0.098pF

解：由題意可求（1）初始電容：由，則當Δd=±10μm時5-1根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型各有什么特點？各適用于什么場合？第五章習題答：電容式傳感器可分為變極距型、變面