傳感器及檢測(cè)技術(shù)33

2023/9/21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(cè)量方法。2023/9/22簡(jiǎn)介電容式傳感器是將被測(cè)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)

2023/9/23第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式

上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

電容傳感器的基本理想公式為2023/9/24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(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，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2023/9/25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2023/9/26一、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(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，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(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。圖c是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移

度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。2023/9/27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，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。請(qǐng)畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！2023/9/28二、變極距式電容傳感器

當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實(shí)際使用時(shí)，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(diǎn)。2023/9/29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(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變??？a）

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—?jiǎng)訕O板

2023/9/210三、變介電常數(shù)式

因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)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(shí)，電容器的電容量也就不同。表5-1幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2023/9/211變介電常數(shù)式電容傳感器的用途

根據(jù)表5-1，分析不同介質(zhì)對(duì)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(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)量什么非電量？2023/9/212第二節(jié)電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2023/9/213測(cè)量轉(zhuǎn)換電路-電橋

Cx為電容傳感器，沒有變化時(shí)，輸出電壓U0=0。Cx變化時(shí)，U0≠0，由此可測(cè)得電容的變化值。相鄰的兩臂接入差動(dòng)式電容傳感器。空載時(shí)的輸出電壓為

2023/9/2142023/9/2152023/9/2162023/9/2172023/9/218第二節(jié)電容式傳感器的測(cè)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L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，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？2023/9/219調(diào)頻式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)輸入量導(dǎo)致傳感器的電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩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。在實(shí)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(jìn)行顯示和紀(jì)錄

2023/9/220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0-2.4V2023/9/221運(yùn)算放大器式測(cè)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

2023/9/2222023/9/2232023/9/224第三節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用

電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對(duì)面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個(gè)變量，電容量C就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測(cè)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(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測(cè)的目的。

2023/9/2252023/9/226電容式壓差傳感器

1-硅油2-隔離膜3-焊接密封圈4-測(cè)量膜片（動(dòng)電極）5-固定電極

結(jié)構(gòu)

外形

應(yīng)用測(cè)量液位

2023/9/2272023/9/228二、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(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)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。2023/9/229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(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2023/9/230硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)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）2023/9/231

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(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)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(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)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(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。2023/9/232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(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)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2023/9/233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(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。2023/9/234汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用2023/9/2353.應(yīng)用

-電容式測(cè)厚儀

在被測(cè)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(gè)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(cè)量電路將電容的變化檢測(cè)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。

2023/9/2362023/9/2372023/9/238一、電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，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2023/9/239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(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。2023/9/240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(jiǎn)單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕2023/9/241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2023/9/242四、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(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。2023/9/243電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，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(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)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)？2023/9/244

電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示2023/9/245不同材料的非金屬檢測(cè)物對(duì)電容式接近開關(guān)動(dòng)作距離的影響2023/9/246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