第3章 電容式傳感器 教案

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級(jí)名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：第3章電容式傳感器與液位檢測(cè)課時(shí)安排：2授課類型：理論重難點(diǎn)重點(diǎn)電容式傳感器的工作原理和測(cè)量電路難點(diǎn)電容式傳感器的檢測(cè)機(jī)理和典型應(yīng)用教學(xué)目的和要求1．熟悉電容式傳感器的工作原理；2.了解電容式傳感器的結(jié)構(gòu)；3.掌握電容式傳感器的測(cè)量電路；4.熟悉電容式傳感器的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)內(nèi)容3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理以平行板電容器為例，當(dāng)不考慮邊緣電場(chǎng)影響時(shí)，平板電容器的電容值可表示為：式中：—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常數(shù)，r為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A—兩平行板正對(duì)面積；d—兩平行板之間的距離。根據(jù)參數(shù)變化的特性，將電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種。3.1.1變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器有平行板式、角位移式、圓筒式等。1．平行板式變面積電容傳感器圖3-2平行板式變面積電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x后，面積發(fā)生變化：Ax=b(a-x)，電容量Cx也隨之改變，可表示為：靈敏度：可知：變面積式電容傳感器的靈敏度K為常數(shù)，符號(hào)為負(fù)，即動(dòng)極板的位移量越大，電容值越小；增大極板寬度，減小極板間的距離都可以提高靈敏度；電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。2．角位移式變面積電容傳感器圖3-3角位移式變面積電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板有一角位移時(shí)，電容量可表示為：可知，與平行板式一樣，角位移式電容傳感器的輸出特性也是線性的，動(dòng)極板的角位移越大，電容值越小。3．圓筒式變面積電容傳感器圖3-4圓筒式變面積電容傳感器當(dāng)內(nèi)圓筒移出x時(shí)，電容量可表示為：可知，圓筒式變面積電容傳感器的輸出特性仍為線性，內(nèi)圓筒移出的位移量越大，電容值越?。黄潇`敏度與圓筒長(zhǎng)度L有關(guān)，L越小，靈敏度越高。3.1.2變極距型電容傳感器圖3-5變極距型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)x值后，極距減小x，其電容值Cx可表示為：可知，傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是非線性的，應(yīng)用時(shí)需作近似線性處理。當(dāng)x/d0<<1時(shí)（即位移遠(yuǎn)小于極板初始距離時(shí)），(x/d0)2近似為0，1－(x/d0)2≈1，則上式可以簡(jiǎn)化為：此時(shí)電容值Cx與位移x的關(guān)系近似為線性。傳感器靈敏度為：3.1.3變介質(zhì)型電容傳感器1．位移型變介質(zhì)電容傳感器圖3-6位移型變介質(zhì)電容傳感器2．液位型變介質(zhì)電容傳感器圖3-7液位型變介質(zhì)電容傳感器3.1.4差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容傳感器為了改善變極距型電容傳感器的非線性，可以采用差動(dòng)型電容傳感器，使用三個(gè)極板構(gòu)成兩個(gè)電容傳感器，中間的極板是動(dòng)極板，由C1和C2共用。圖3-8差動(dòng)型電容傳感器將C1、C2接入差動(dòng)電橋電路后，能減小非線性誤差，使傳感器的靈敏度提高一倍，同時(shí)，外界的影響諸如溫度、激勵(lì)源電壓、頻率變化等造成的誤差也基本能相互抵消。3.2電容傳感器的測(cè)量電路3.2.1交流電橋電路圖3-9電橋測(cè)量電路當(dāng)C1=C2=C0時(shí)，交流電橋處于平衡狀態(tài)；工作時(shí)，C1=C0+ΔC，C2=C0－ΔC，空載輸出電壓為：電橋的輸出電壓與電容變化成正比，與位移量之間的關(guān)系為線性，靈敏度提高到了單電容傳感器的兩倍。3.2.2運(yùn)算放大器電路圖3-10運(yùn)算放大器電路Cx是變極距型電容傳感器，C0為固定電容，放大器的運(yùn)算關(guān)系為：運(yùn)算放大器的輸出電壓與極距之間為線性關(guān)系，它從原理上解決了變極距型電容傳感器的非線性問題。3.2.3調(diào)頻電路調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：圖3-11調(diào)頻電路3.3電容傳感器的典型應(yīng)用3.3.1電容傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)①測(cè)量范圍大；②靈敏度高；③動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、固有頻率高；④穩(wěn)定性好。3.3.2電容傳感器的應(yīng)用舉例1．電容式壓力傳感器2．電容式測(cè)厚儀1）金屬帶材在軋制過程中的厚度檢測(cè)2）非金屬帶材厚度的檢測(cè)3．電容式加速度傳感器4．電容式濕度傳感器5．電容式位移傳感器6．電容式液位計(jì)7．電容式接近開關(guān)8．電容式指紋識(shí)別傳感器作業(yè)布置3-1、3-2、3-2、3-4

課程性質(zhì)：班級(jí)名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：實(shí)驗(yàn)五差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性課時(shí)安排：2授課類型：實(shí)訓(xùn)課重難點(diǎn)重點(diǎn)差動(dòng)變面積式電容傳感器的原理及其特性難點(diǎn)差動(dòng)變面積式電容傳感器的原理及其特性教學(xué)目的和要求了解差動(dòng)變面積式電容傳感器的原理及其特性。采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)原理差動(dòng)變面積式電容傳感器的測(cè)試原理二、實(shí)驗(yàn)器材電容傳感器、差動(dòng)變換器Ⅱ、低通濾波器、電壓表、測(cè)微頭、示波器。差動(dòng)變換器Ⅱ增益旋鈕置于中間，電壓表置于20V檔，電容放大器增益最大。三、實(shí)驗(yàn)步驟1．差動(dòng)變換器II調(diào)零，按圖S5.1接線。圖S5.1接線參考圖2．電壓表2V檔，安裝好測(cè)微頭，讓測(cè)微頭與振動(dòng)臺(tái)吸合，調(diào)節(jié)測(cè)微頭使電壓表的輸出為零。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭,每次0.1mm，記下此時(shí)測(cè)微頭的讀數(shù)及電壓表的讀數(shù)，直至電容動(dòng)片與上（或下）靜片覆蓋面積最大為止。X(mm)V(mv)4．退回測(cè)微頭至初始位置。并開始以相反方向旋動(dòng)。同上法，記下X(mm)及V(mv)值。5．計(jì)算系統(tǒng)靈敏度Ｓ。Ｓ＝ΔＶ