第五章 電容傳感器

自動檢測技術(shù)課程授課教案PAGEPAGE1第五章電容傳感器課題：電容傳感器的原理及應(yīng)用課時安排：4課次編號：8教材分析難點流量的測量重點電容傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1.了解電容傳感器的工作原理；2.掌握電容傳感器的應(yīng)用；3.了解電容接近開關(guān)的原理及應(yīng)用；4.了解流量的測量方法。采用教學(xué)方法和實施步驟：講授、課堂互動、分析教具：各種電容傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示：做以下的實驗：將兩片直徑為30mm左右的圓形銅片相互接近，用萬用表的“電容”“1000pF”量程，測量兩者之間的電容量?？梢钥吹剑弘S著兩者的靠近，電容量從0pF，逐漸增大。在短路之前，大約可增大到30pF。固定兩個極板的距離，請學(xué)生在兩者之間，慢速插入塑料薄膜，可以觀察到：電容量逐漸增大，到100pF左右。保持兩者的距離，將這兩片銅片向水平方向平移，分開，可以看到：萬用表所指示的電容量逐漸減小。從以上演示，引入第一節(jié)的電容傳感器工作原理。第一節(jié)電容傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式平板電容器的電容量為（5-1）式中A——兩極板相互遮蓋的有效面積；d——兩極板間的距離，也稱為極距；ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；εr——兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε0——真空的介電常數(shù)，ε0=8.8510-12(F/m)。分析式（5-1）得出結(jié)論：在A、d、ε三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。也就是說，電容量C是A、d、ε的函數(shù)，固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：變面積式、變極距式、變介電常數(shù)式。一、變面積式動極板1可以左右移動，稱為動極板；極板2固定不動稱為定極板。根據(jù)式（5-1）可知，變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。圖5-2變面積式電容傳感器的結(jié)構(gòu)及原理a）平板形直線位移式b）圓筒形直線位移式（剖面圖）c）半圓形角位移式1－定極板2－動極板3－外圓筒4－內(nèi)圓筒5－導(dǎo)軌6－測桿7－被測物8－水平基準(zhǔn)二、變極距式變極距式電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。圖中1為定極板，2為動極板。當(dāng)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d，從而使電容量發(fā)生變化。請學(xué)生分析圖5－3，可以得到3個以上的結(jié)論：1、初始極距小，靈敏度高。2、非線性（缺點）；3、行程較?。▋蓧K極板短路）。圖5-3變極距式電容傳感器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－動極板3－彈性膜片差動電容傳感器：請學(xué)生打開對比第三章的圖3-4，以及第五章的圖5-4的異同點。圖5-4差動式電感傳感器a）變隙式差動傳感器b）螺線管式差動傳感器1－上差動繞組2－鐵心3－銜鐵4－下差動繞組5－測桿6－工件7－基座圖5-4差動式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）差動變極距式b）差動變面積式1－動極板2－定極板從熱脹冷縮和電源電壓波動、頻率波動等方面，分析差動電容傳感器的特點：1.優(yōu)點：提高傳感器的靈敏度，減小非線性。2.外界的影響諸如溫度、激勵源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消.三、變介電常數(shù)式表5-1幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)介質(zhì)名稱相對介電常數(shù)εr介質(zhì)名稱相對介電常數(shù)εr真空1玻璃釉3~5空氣略大于1SiO238其他氣體1~1.2①云母5~8變壓器油2~4干的紙2~4硅油2~3.5干的谷物3~5聚丙烯2~2.2環(huán)氧樹脂3~10聚苯乙烯2.4~2.6高頻陶瓷10~160聚四氟乙烯2.0低頻陶瓷、壓電陶瓷1000~10000聚偏二氟乙烯3~5純凈的水80圖5-5變介電常數(shù)式電容傳感器用于測量介質(zhì)的厚度分析表5-1和圖5-5，得出以下結(jié)論：變介電常數(shù)式電容傳感器可以檢測片狀材料的厚度、性質(zhì)，顆粒狀物體的含水量以及測量液體的液位等。當(dāng)某種介質(zhì)處于兩極板間時，介質(zhì)厚度δ越厚，電容量也就越大。提問：濕的紙的電容量如何變化？當(dāng)介質(zhì)厚度δ保持不變、而相對介電常數(shù)εr改變，如空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣（εr水>>1）時，電容量將變大。當(dāng)被測液體（絕緣體）的液面在兩個同心圓金屬管狀電極間上下變化時，引起兩電極間不同介電常數(shù)介質(zhì)（上半部分為空氣，下半部分為液體）的高度變化，因而導(dǎo)致總的電容量變大。第二節(jié)電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路調(diào)頻電路（5-2）請學(xué)生將上式以及圖5-8（調(diào)頻電路框圖）與圖4-5比較。結(jié)論：式（5-2）和圖5-8中，L0為常數(shù)；C為變量，其他基本相同。圖5-8調(diào)頻電路框圖分析上圖中的各個方框的功能。第三節(jié)電容傳感器的應(yīng)用圖5-5所示的簡單結(jié)構(gòu)就可以用于測量紙張含水量、塑料薄膜的厚度等。而圖5-2b所示的傳感器就可以用于測量工件的尺寸，圖5-2c可以用于測量機械臂的角位移?？梢岳脠D5-5b所示的距變化的原理，測量壓力；可以利用圖5-5a所示的基本原理，精確地測量角位移和直線位移，構(gòu)成電子千分尺；利用介電常數(shù)變化的原理，可以測量空氣相對濕度、液位、物位等。分析：電容加速度傳感器、濕敏電容。一、電容測厚儀（略）二、電容加速度傳感器由于微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，可以用硅微機械加工技術(shù)，將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)，制作成“三明治”擺式硅微電容加速度傳感器，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，所以相當(dāng)于懸臂梁。它的核心部分只有φ3mm左右，與測量轉(zhuǎn)換電路一起封裝在8腳帽型TO-5金屬封裝中或貼片IC封裝中，外形酷似普通的集成電路。其內(nèi)部核心部分如圖5-10b、c所示。圖5-10硅微電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）貼片封裝外形b）“三明治”多晶硅多層結(jié)構(gòu)c）加速度測試單元的工作原理1－加速度測試單元2－信號調(diào)理單元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）將該加速度電容傳感器安裝在炸彈上，可以控制炸彈爆炸的延時時刻；安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。分析：當(dāng)正常剎車和小事故碰擦?xí)r，傳感器輸出信號較小。當(dāng)其測得的負加速度值超過設(shè)定值時，CPU據(jù)此判斷發(fā)生碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。怎樣讓折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹？A.人工吹氣;B.汽車發(fā)動機帶動氣泵吹氣;C.微型炸藥爆燃充氣？五、電容接近開關(guān)1．結(jié)構(gòu)電容接近開關(guān)的核心是以電容極板作為檢測端的電容傳感器，結(jié)構(gòu)如圖5-14a所示。檢測極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體后部，并用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂充填、灌封。圖5-14圓柱形電容接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)及原理框圖a）結(jié)構(gòu)示意圖b）調(diào)幅式測量轉(zhuǎn)換電路原理框圖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(zhǔn)電壓2．電容接近開關(guān)的工作原理電容接近開關(guān)的調(diào)幅式測量轉(zhuǎn)換電路原理框圖如圖5-15b所示，由RC高頻振蕩器、檢波器、低通濾波器、直流電壓放大器、電壓比較器等組成。復(fù)習(xí)：什么是電壓比較器？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，很像兩塊“打開的”電容器電極。當(dāng)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(dāng)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即是C1、C2的串聯(lián)結(jié)果總的電容量增大。當(dāng)C增大到設(shè)定數(shù)值后，RC振蕩器起振，工作電流增大。振蕩器的高頻輸出電壓uo經(jīng)二極管檢波和低通濾波器，得到正半周的平均值。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(zhǔn)電壓UR進行比較。若Uo1超過基準(zhǔn)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。3．電容接近開關(guān)的特性及調(diào)試電容接近開關(guān)的分類：接近開關(guān)的輸出有NPN、PNP和AC兩線制等多種型式。圖5-15b中的Rf在比較器電路中起正反饋作用，使比較器具有施密特特性。Rf越小，翻轉(zhuǎn)時的回差就越大，抗干擾能力就越強，通常將回差控制在動作距離的20%之內(nèi)。復(fù)習(xí)：施密特特性。如果在圖5-14b所示的比較器之后再設(shè)置OC門輸出級電路，就有較大的負載能力。通常可以驅(qū)動100mA的感性負載，或300mA的阻性負載，具體電路請參見圖4-16。電容接近開關(guān)的檢測距離與被測物體的材料性質(zhì)有較大關(guān)系，如圖5-15所示。復(fù)習(xí)：圖4-16所述的“OC門”。不同的材料的靈敏度及動作距離：對于非金屬物體，例如：水、油、紙板、皮革、塑料、陶瓷、玻璃、沙石、糧食等，動作距離決定于材料的介電常數(shù)和導(dǎo)電率以及物體的面積。介電常數(shù)大、且導(dǎo)電性能較好的物體（例如含水的有機物等），且面積達到電容接近開關(guān)直徑的2倍以上時，動作距離只略大于金屬。物體的含水量越小，面積越小，動作距離也越小，靈敏度就越低，玻璃、尼龍等物體的靈敏度較低。電容接近開關(guān)的調(diào)試：大多數(shù)電容接近開關(guān)的尾部有一個多圈微調(diào)電位器RP，用于調(diào)整特定對象的動作距離。當(dāng)被測試對象的介電常數(shù)較低、且導(dǎo)電性較差時，可以順時針旋轉(zhuǎn)電位器的旋轉(zhuǎn)臂，來降低比較器正輸入端的基準(zhǔn)電壓UR，從而可降低負輸入端的“翻轉(zhuǎn)電壓閾值”，增加靈敏度。一般調(diào)節(jié)電位器，使電容接近開關(guān)在1.3Sn（Sn為電容接近開關(guān)對特定被測物的工作距離）的位置動作，以提高可靠性。當(dāng)被測液體與接近開關(guān)之間隔著一層玻璃時，可以適當(dāng)改變靈敏度，以扣除玻璃的影響。第四節(jié)壓力、液位和流量的測量一、壓力的基本概念及壓力傳感器的類型物理學(xué)中的“壓強”在檢測領(lǐng)域和工業(yè)中稱為“壓力”，用p表示。壓力的國際單位為帕斯卡（Pa）壓力分類1．絕對壓力傳感器它所測得的壓力數(shù)值是相對于密封在絕對壓力傳感器內(nèi)部的基準(zhǔn)真空（相當(dāng)于零壓力參考點）而言的。當(dāng)絕對壓力小于101kPa時，可以認為是“負壓”，所測得壓力相當(dāng)于真空度。2．差壓傳感器差壓是指兩個壓力p1和p2之差，又稱為壓力差。當(dāng)差壓表兩側(cè)面均向大氣敞開時，差壓等于零。舉例：p1=0.9～1.1MPa，p2=0.9～1.0MPa，就必須選擇測量范圍為-0.1～＋0.2MPa的差壓傳感器。3．表壓傳感器表壓傳感器常稱為壓力傳感器。它以環(huán)境大氣壓為參考基準(zhǔn)，將差壓傳感器的一側(cè)向大氣敞開，就形成表壓傳感器。在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中所提到的壓力絕大多數(shù)指的是表壓，生產(chǎn)中所使用的壓力表絕大多數(shù)都屬于表壓傳感器，而計量領(lǐng)域多使用絕對壓力傳感器。二、差動電容式差壓變送器差動電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)的核心部分是一個變極距差動式電容傳感器。圖5-17差動電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖a）結(jié)構(gòu)b）外觀1－高壓側(cè)進氣口2－低壓側(cè)進氣口3－過濾片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（定極板）9－彈性平膜片10－δ腔11－鋁合金外殼12－限位波紋盤13－過壓保護懸浮波紋膜片14公共參考端（地電位）15－螺紋壓力接頭16－測量轉(zhuǎn)換電路及顯示器鋁合金盒17－信號電纜分析測量過程：當(dāng)被測壓力p1、p2由兩側(cè)的內(nèi)螺紋壓力接頭進入各自的空腔，該壓力通過不銹鋼波紋隔離膜和導(dǎo)壓硅油，傳導(dǎo)到“δ腔”。彈性平膜片由于受到來自兩側(cè)的壓力之差，而凸向壓力小的一側(cè)。在δ腔中，彈性膜片與兩側(cè)的鍍金定極之間的距離很?。s0.5mm左右），所以微小的位移（不大于0.1mm）就可以使電容量變化100pF以上。測量轉(zhuǎn)換電路（相敏檢波器）將此電容量的變化轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，通過信號電纜線輸出到二次儀表。三、利用差壓變送器測量液體的液位圖5-18電容差壓式液位計1－儲液罐2－液面3－上部空間4－高壓側(cè)管道5－電容差壓變送器6－低壓側(cè)管道電容差壓變送器的高壓側(cè)（p+）進氣孔及低壓側(cè)（p-）進氣孔通過管道與儲液罐相連，就組成差壓式液位計p+=p0+ρg(h-h0）p-=p0則：p=p+-p-=g(h-h0）差壓變送器的輸出信號與差壓變送器正取壓孔上方的液體高度H成正比。如果考慮到差壓變送器的安裝高度h0，則總的液位h=h0+Δp/ρg。四、流量的基本概念流量的定義：流體在單位時間內(nèi)通過某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)，分別稱為體積流量qV和質(zhì)量流量qm。這種單位時間內(nèi)的流量統(tǒng)稱為瞬時流量q。把瞬時流量對時間t進行積分，求出累計體積或累計質(zhì)量的總和，稱為累積流量，也叫總量。流速法測量流量：流速v越快，瞬時流量越大；管道的截面積越大，瞬時流量也越大。根據(jù)瞬時流量的定義，體積流量qV=Av，單位為m3/h或L/s；質(zhì)量流量qm=ρAv，單位為t/h或kg/s。上兩式中，v為流過某截面的平均流速，A為管道的截面積，ρ為流體的密度。（5-7）式中q總——累積流量；——在某一時段內(nèi)的平均瞬時流量；ti——該時段經(jīng)歷的時間。采用測量流速v而推算出流量的儀器稱為流速法流量計。測量流量的其他方法：容積法、質(zhì)量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。五、節(jié)流式流量計及電容差壓變送器在流量測量中的應(yīng)用差壓式流量計又稱節(jié)流式流量計。在流體流動的管道內(nèi)，設(shè)置一個節(jié)流裝置，如圖5-20所示。圖5-20節(jié)流式流量計a）流體流經(jīng)節(jié)流孔板時，流速和壓力的變化情況b）測量液體時導(dǎo)壓管的標(biāo)準(zhǔn)安裝方法c）測量氣體時導(dǎo)壓管的標(biāo)準(zhǔn)安裝方法1－上游管道2－流體3－節(jié)流孔板4－前取壓孔位置5－后取壓孔位置6－截止閥7－放氣閥8－排水閥9－差壓變送器10－均壓閥所謂節(jié)流