6.參量傳感器之電容式(超聲波)

第6章電容式傳感器、超聲波傳感器及液位的檢測(cè)電容式傳感器電容傳感器液位計(jì)P32電容式傳感器通過(guò)電容傳感元件將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。一、工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容傳感器的理想公式為

d——極板間距離；

A——極板面積；ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；εr

——相對(duì)介電常數(shù)電容式傳感器ε0——真空的介電常數(shù)。改變d、A、

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(lèi)型的電容傳感器。

電容傳感器聲波測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動(dòng)畫(huà)演示設(shè)ε和A不變，初始狀極距為d0時(shí)，電容器容量為C0。若動(dòng)極板有位移，使極板間距離減小x，則電容則增大到cx。變極距式電容傳感器結(jié)構(gòu)及特性曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖1－定極板2－動(dòng)極板

電容量與極板距離的關(guān)系電容與位移不是線(xiàn)性關(guān)系。為了提高測(cè)量的靈敏度，減小非線(xiàn)性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。2．變面積式電容式傳感器

圖a是平板直線(xiàn)位移式變面積型傳感器，極板尺寸如圖所示，動(dòng)極板做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，改變了兩極板的相對(duì)面積，引起了電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)物體產(chǎn)生位移x后。此時(shí)的電容量為

圖b是同心圓桶式變面積型傳感器，外圓桶不動(dòng)，內(nèi)圓桶在外圓桶內(nèi)做上、下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)內(nèi)、外圓桶的半徑分別為r、R，內(nèi)、外圓桶原來(lái)的重疊長(zhǎng)度為h。當(dāng)內(nèi)桶向下產(chǎn)生位移后x，兩個(gè)同心圓桶的重疊面積減小，引起了電容量隨之減小。此時(shí)的電容量為

變面積式電容傳感器的輸出特性是線(xiàn)性的，靈敏度是常數(shù)。這一類(lèi)傳感器多用于檢測(cè)直線(xiàn)位移、角位移、尺寸等參量。xθa))/1()/1(00pqpqee-=-==CdSCdSCx

圖C為角位移式變面積型傳感器，動(dòng)極板可圍繞定極板旋轉(zhuǎn)形成角位移。設(shè)兩極板初始重疊角度為，動(dòng)極板隨被測(cè)物體帶動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)角位移，兩個(gè)極板的重疊面積減小，因而電容量隨之減小。此時(shí)的電容量為

3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動(dòng)畫(huà)演示由于各種介質(zhì)的介電常數(shù)的不同，如果在電容器的極板之間插入不同的介質(zhì)，電容器的電容量就會(huì)變化。常被用來(lái)測(cè)量液體的液位和材料的厚度。還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度等。右圖為電容液位計(jì)原理圖。當(dāng)被測(cè)絕緣液體的液面在兩個(gè)同心圓金屬管狀電極間上下變化時(shí)，引起兩極間不同介質(zhì)的高度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致總電容量改變。

經(jīng)推導(dǎo)可知變介電常數(shù)式電容傳感器其電容與位移或液體高度成線(xiàn)性關(guān)系，可由以下表達(dá)式表示：其中A、B均為與結(jié)構(gòu)和介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr

＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)。解：三種電容式傳感器比較表類(lèi)型變間隙變面積變介電常數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合線(xiàn)位移角位移或較大線(xiàn)位移物位、濕度、密度是否線(xiàn)性非線(xiàn)性關(guān)系。靈敏度也不是常數(shù)。線(xiàn)性關(guān)系

線(xiàn)性關(guān)系

1．變壓器電橋電路二、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路缺點(diǎn)：由于電路輸出為交流電，應(yīng)進(jìn)行相敏檢波后，才能辨別位移方向。對(duì)于變間隙式差分電容傳感器經(jīng)分析推導(dǎo)可得：

優(yōu)點(diǎn)：把變間隙式電容傳感器的位移與電容的非線(xiàn)性關(guān)系

轉(zhuǎn)化為位移與輸出電壓的線(xiàn)性關(guān)系?？傻茫?．調(diào)頻電路圖為一種差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路。圖中C1和C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。線(xiàn)路由兩個(gè)電壓比較器A1和A2，一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和兩個(gè)充放電回路R1C1和R2C2(R1=R2)所組成；Uref為參考直流電壓；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端電平由兩比較器控制。當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平，

端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過(guò)R1對(duì)C1充電；當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Uref相等時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平，端為高電平。此時(shí)，由電容C1通過(guò)二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由B端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考電壓Uref相等時(shí)，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過(guò)程。可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當(dāng)C1=C2時(shí)，Q和兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)C1>C2時(shí)，Q、兩端間的平均電壓(經(jīng)一低通濾波器)為3．脈沖寬度調(diào)制電路tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖U0脈沖調(diào)寬電路具有以下五方面的特點(diǎn)：①消除了非線(xiàn)性；②不需要相敏檢波即能獲得較大的直流輸出；③電路只采用直流電源，不需要頻率發(fā)生器；④頻率對(duì)輸出無(wú)影響；⑤對(duì)輸出矩形波純度要求不高。公式與變壓器電橋形式相同，但變壓器電橋輸出的是交流電，而脈沖調(diào)寬電路輸出的是直流電。1．壓力測(cè)量電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖三、電容式傳感器的應(yīng)用高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線(xiàn)路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器外形圖電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1－高壓側(cè)進(jìn)氣口

2－低壓側(cè)進(jìn)氣口

3－過(guò)濾片

4－空腔

5－柔性不銹鋼波紋隔離膜片

6－導(dǎo)壓硅油

7－凹形玻璃圓片

8－鍍金凹形電極

9－彈性平膜片

10－

腔各種電容式差壓變送器外形圖利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：p=

gh投入式電容水位計(jì)外形圖家用電器壓力檢測(cè)示意圖2．加速度測(cè)量電容傳感器加速度測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示電容式加速度傳感器1－絕緣體2－固體電極3－質(zhì)量塊（動(dòng)電極）4－彈簧片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）硅微加工電容加速度傳感器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(xiàn)性誤差：≤1%加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用裝有傳感器的假人氣囊汽車(chē)氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置3．轉(zhuǎn)速測(cè)量電容傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示

電容料位測(cè)量示意圖1－極棒2－容器壁4．料位和液位測(cè)量AM90系列電容物位儀

聚四氟乙烯外套液位計(jì)設(shè)定按鈕電容式油量表原理圖

5．電容式接近開(kāi)關(guān)被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開(kāi)關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測(cè)物不同來(lái)改變動(dòng)作距離。電容式接近開(kāi)關(guān)外形圖齊平式非齊平式M18M30?40mm40mmx

40mm工作距離5mm10mm20mm20mm工作電壓10-65VDC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC導(dǎo)線(xiàn)數(shù)量3線(xiàn)制2、4線(xiàn)制2、4線(xiàn)制2、4線(xiàn)制輸出pnppnppnppnp常開(kāi)觸點(diǎn)常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)，常開(kāi)和常閉接點(diǎn)，常開(kāi)或常閉接點(diǎn)常開(kāi)和常閉接點(diǎn)，常開(kāi)或常閉接點(diǎn)常開(kāi)和常閉接點(diǎn)，常開(kāi)或常閉接點(diǎn)安裝嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式連接電纜電纜接線(xiàn)端子格接線(xiàn)端子格接線(xiàn)端子格SIMATICPXC200電容式接近開(kāi)關(guān)使用一覽表電容式接近開(kāi)關(guān)SIMATICPXC是非接觸型傳感器，適用于具有各種形狀和表面的導(dǎo)電和非導(dǎo)電金屬，可測(cè)量傳導(dǎo)和非傳導(dǎo)性物料，如固體、粉末或液體等。奶盒中的牛奶檢測(cè)電容式接近開(kāi)關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用

電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開(kāi)關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖所示。平時(shí)檢測(cè)電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測(cè)電極接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜電電容為C=Q/V，所以電荷的增多，使檢測(cè)電極電容C隨之增大，進(jìn)而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)后向外輸出。電容式接近傳感器檢測(cè)的被測(cè)物體是金屬導(dǎo)體，非金屬導(dǎo)體不能用該方法測(cè)量。圖是電容式接近傳感器的電路圖。C1與L1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，L2和VT形成共基接法，C4是反饋電容，C5是耦合電容，R3與C3形成去藕電路。R1和R2是偏置電阻，它們與C2形成選頻網(wǎng)絡(luò)。電位器用于調(diào)節(jié)接近距離。VD1與VD2構(gòu)成檢波電路。C6是檢波電容，C0是接近物與金屬棒形成的電容。若被測(cè)物接近金屬棒，C0變大，與C4并聯(lián)后使反饋電容增加，從而減弱振蕩，經(jīng)VD1，VD2檢波后，輸出的電壓為低電平。否則，振蕩器正常振蕩，輸出高電平。

電容式接近傳感器電路圖電容指紋識(shí)別動(dòng)畫(huà)演示6．其它測(cè)量電容角位移測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示電容傳感器地應(yīng)力測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示電容地應(yīng)力傳感器安裝動(dòng)畫(huà)演示三星SPH－V6800手機(jī)采用電容傳感器控制某些功能，取代了部分機(jī)械按鍵超聲波傳感器超聲波傳感器P53一、超聲波的傳輸特性1.什么是超聲波？人耳能夠聽(tīng)到的機(jī)械波，頻率在16Hz～20kHz之間，稱(chēng)為聲波。人耳聽(tīng)不到的機(jī)械波，

頻率高于20kHz的稱(chēng)為超聲波；超聲波的頻率越高，就越接近光學(xué)的反射、折射等特性。

頻率低于16Hz的稱(chēng)為次聲波。2．超聲波的波形

由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向的不同，超聲波的波形也不同。通?？煞譃槿缦聨追N：1）縱波：

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體中傳播；2）橫波：

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體中傳播；3）表面波：

質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。表面波的軌跡是橢圓形，質(zhì)點(diǎn)位移的長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，質(zhì)點(diǎn)位移的短軸平行于傳播方向。由于表面波隨深度增加而衰減很快，因此只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

3.超聲波的特點(diǎn)

（1）傳播速度：超聲波的傳播速度與波長(zhǎng)及頻率成正比，即聲速為C=λf式中，λ為超聲波的波長(zhǎng)；f為超聲波的頻率。（2）超聲波的衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波的擴(kuò)散、散射及吸收，能量按指數(shù)規(guī)律衰減。如平面波傳播時(shí)的衰減公式可寫(xiě)作Ix=I0e-2αx。其中，I0為聲源處的聲強(qiáng);Ix為距聲源x處的聲強(qiáng);α為衰減系數(shù)（單位為1×10-3dB/mm），水和一般低衰減材料的的取值α為1～4。

（3）超聲波的反射與折射：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，會(huì)發(fā)生反射與折射。同樣遵循反射定律和折射定律：入射角與反射角、折射角的正弦比等于入射波速與反射波速、折射波速之比。

1）反射定律

入射角α的正弦與反射角α‘的正弦之比等于入射波與反射波的速度之比。當(dāng)反射波與入射波同處于一種介質(zhì)中時(shí)，因波速相同，則反射角α‘等于入射角α。（4）超聲波的波形轉(zhuǎn)換：若選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣?，使縱波全反射，那么在折射中只有橫波出現(xiàn)；如果橫波也全反射，那么在工件表面上只有表面波存在。2）折射定律

當(dāng)波在界面上產(chǎn)生折射時(shí)，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波在第一種介質(zhì)中的波速C1與在第二種介質(zhì)中的波速C2之比，即：

壓電式超聲波傳感器常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用為接收探頭。二、空氣中傳播的超聲波傳感器及其基本電路1.遙控用超聲波傳感器超聲波遙控電路采用專(zhuān)用的在空氣中傳播的超聲發(fā)射器（用符號(hào)T表示）與接收器(用符號(hào)R表示)成對(duì)配套使用。它所發(fā)射的超聲波采用固定的中心頻率，諧振頻率f0一般為40kHz。這種傳感器有一種單峰特性，即在中心頻率f0處?kù)`敏度最高，輸出信號(hào)幅度最大，接收器的接收靈敏度最高，而在中心頻率兩側(cè)則迅速衰減。由于超聲波接收器具有很好的選頻特性，因此在組成電路系統(tǒng)時(shí)，不必另設(shè)選頻網(wǎng)絡(luò)。由于發(fā)射器需要發(fā)射出強(qiáng)度較高的超聲波信號(hào)，所以它的靈敏度大于100dB。接收器應(yīng)能良好地接收超聲波信號(hào)，因此它的靈敏度大于－60dB。

2.超聲波發(fā)射電路P55圖是由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓通過(guò)耦合電容CP供給超聲波振子MA40S2S。CC4049的H1和H2產(chǎn)生與超聲波頻率相對(duì)應(yīng)的高頻電壓信號(hào)，H3～H6進(jìn)行功率放大，再經(jīng)過(guò)耦合電容CP傳給超聲波振子MA40S2S。

數(shù)字式超聲波振蕩電路

采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路

圖是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實(shí)例。電路中用NPN晶體管V放大頻率可調(diào)振蕩器OSC的輸出信號(hào)，放大的信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。超聲波傳感器MA40S2S產(chǎn)生40kHz能量的超聲波。3.超聲波接收電路由于超聲波傳感器接收到的信號(hào)極其微弱，因此，一般要接幾十dB以上的高增益放大器。一般用于檢測(cè)反射波，它遠(yuǎn)離超聲波發(fā)生源，能量衰減較大，只能接收到幾mV左右