自动检测技术与应用第五章

1、第五章第五章 电容传感器电容传感器 本章学习本章学习电容电容传感器的原理及应用传感器的原理及应用，还涉及压力还涉及压力、液位及流量的测量方法液位及流量的测量方法。 第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式 上式中上式中，哪几个参量是变量哪几个参量是变量？可以做成哪可以做成哪几种类型的电容传感器几种类型的电容传感器？ 0rAACdd 电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为 第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式 改变改变A A、d d、 三个参量中的任意一个量三个参量中的任意一个量，均可使均可使平板电容的电容量平板电容的电容量C C 改变改变。 固定三个参量中的两个固定三个参量中的两个，可以做成可以做成三种类型三种类型的电的电容传感器容传感器。 0rAACdd 一一、变面积式电容传感器变面积式电容传感器 图图a是是平板形直线位移式结构平板形直线位移式结构，其中极板其中极板1可以左右移动可以左右移动，称为动极板称为动极板。极板极板2固定不动固定不动，称为定极板称为定极板。图图b b是是同心圆筒形同心

2、圆筒形变面积式传感器变面积式传感器。外圆筒不动外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上内圆筒在外圆筒内作上、下直下直线运动线运动。图图c c是一个是一个角位移式的结构角位移式的结构。极板极板2 2的轴由被测物体带的轴由被测物体带动而旋转一个角位移动而旋转一个角位移 度时度时，两极板的遮盖面积两极板的遮盖面积A A 就减小就减小，因因而电容量也随之减小而电容量也随之减小。 变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性 变面积式电容传感器的输出特性是变面积式电容传感器的输出特性是线性的线性的，灵敏度是常数灵敏度是常数。这一类传感器这一类传感器多用于检测直线位移多用于检测直线位移、角位移角位移、尺寸等尺寸等参量参量。 请画出变面积式电容传感器的输出请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线特性曲线！ 二二、变极距式电容传感器变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时当动极板受被测物体作用引起位移时， 改变了两极板之间的距离改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量从而使电容量 发生变化发生变化。 实际使用时实际使用时，总是使总是使初始极距初始极距d0尽量尽量小些小些，以以提高灵敏度提高灵敏

3、度，但这也带来了变极但这也带来了变极 距式电容器的距式电容器的行程较小的缺点行程较小的缺点。 变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到从图中可以看到，为了提高灵敏度为了提高灵敏度，应使当应使当d d0 0小小 些还是大些些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较较 小时小时，它的测量范围变大还是变小它的测量范围变大还是变小？ a） 结构示意图结构示意图 b）电容量与极板距离的关系电容量与极板距离的关系 1定极板定极板 2动极板动极板 2015/12/6 Sunday 8 三三、变介电常数式变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电所以在电容器两极板间插入不同介质时容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也电容器的电容量也就不同就不同。 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数 变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 根据上根据上表表，分析分析不同介质对变介电常数不同介质对变介电常数电容器的影响电容器的影响。在电容器两极板间在电容器两极板间插入干插

4、入干的纸和潮湿的纸的纸和潮湿的纸时时，哪一种情况下的哪一种情况下的电容电容量变大量变大？可用于测量什么非电量可用于测量什么非电量？ 第二节第二节 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路 （调频电路调频电路 ） 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为 LC LC 振荡器谐振振荡器谐振 回路的一部分回路的一部分，当电容传感器工作时当电容传感器工作时，电容电容Cx 发发生变化生变化，就使振荡器的频率就使振荡器的频率 f 产生相应的变化产生相应的变化。 电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有 何区别何区别？式中式中哪些量是变量哪些量是变量？ 015-22fL C调频调频（FM）电路电路 TTL电平的高电平和低电平电平的高电平和低电平 电压范围分别是多少伏电压范围分别是多少伏？ 第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响电容器的容量受三个因素影响，即即： 极距极距x、相对面积相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定固定其中两个变其中两个变 量量，电容量电容量C 就是另一个变量就是另一个变

5、量的一元函数的一元函数。只要想办法只要想办法将被测非电量转换将被测非电量转换成极距或者面积成极距或者面积、介电常数的变化介电常数的变化，就可以就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的测的目的。 一一、电容式液位计电容式液位计 棒状电极棒状电极（金属管金属管）外外面包裹聚四氟乙烯套管面包裹聚四氟乙烯套管，当当被测液体的液面上升时被测液体的液面上升时，引引起棒状电极与导电液体之间起棒状电极与导电液体之间的电容变大的电容变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于位变送器的区别在于：它它不给出模拟量不给出模拟量，而是给出而是给出开关量开关量。当液位到达设定当液位到达设定值时值时，它输出低电平它输出低电平。但但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号的型号。 液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单定方法十分简单： 用手指压住设定按钮用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时当液位达到设定值时，

6、放开放开按钮按钮，智能仪器就记住该设智能仪器就记住该设定定。正常使用时正常使用时，当水位高当水位高于该点后于该点后，即可发出报警信即可发出报警信号和控制信号号和控制信号。 设定按钮设定按钮 2015/12/6 Sunday 16 智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮 超限灯超限灯 正常工作正常工作 指示灯指示灯 设定按钮设定按钮 电源电源 指示灯指示灯 二二、硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础加工技术为基础，既能测量交既能测量交变加速度变加速度（振动振动），），也可测量也可测量惯性力或重力加速度惯性力或重力加速度。其工作其工作电压为电压为2 2. .7 75 5. .2525V V，加速度测加速度测量范围为数个量范围为数个g g，可输出与加可输出与加速度成正比的电压也可输出占速度成正比的电压也可输出占 空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM 脉脉冲冲。 微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器 技术指标技术指标： 灵敏度灵敏度：500mV/g ， 量程量程：10g， 频率范围频率范围：0.

7、5-2000Hz，安装谐振点安装谐振点:8kHz ， 分辨力分辨力：0.00004g ， 重量重量：200g ， 安装螺纹安装螺纹：M5 mm ， 线性误差线性误差：1 1% % 硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路 3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅底层多晶硅 （下电极下电极） 5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅顶层多晶硅 （上电极上电极） 利用微电子加工技术利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多可以将一块多晶硅加工成多层结层结 构构，制造出制造出三层多晶硅极板三层多晶硅极板，组成差动电容组成差动电容C C1 1、C C2 2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上其左端固定在衬底上，所以所以相当于悬臂梁相当于悬臂梁。 当它感受到当它感受到上下振动时上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化呈差动变化。与加与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将速度测试单

8、元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输出电压转换成直流输出电压。它的它的激励源也做在同一壳体内激励源也做在同一壳体内。由于硅的弹性滞后很小由于硅的弹性滞后很小，且且悬臂梁的质量很轻悬臂梁的质量很轻，所以所以频频率响应可达率响应可达1 1kHzkHz以上以上，允许加速度范围可达允许加速度范围可达5050g g 以上以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度就可以测量三维方向的振动或加速度。 加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 当测得的负加速度值超过设定值时当测得的负加速度值超过设定值时， 微微 处理器处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞撞，于是就启动轿车于是就启动轿车 前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住托住 驾驶员及前排乘员的胸部和头部驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感装有传感 器的假器的假人人 气囊气囊 汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞使用加速度传感器可以在汽车发

9、生碰撞 时时，经控制系统使气囊迅速充气经控制系统使气囊迅速充气 。 2015/12/6 Sunday 23 汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用 2015/12/6 Sunday 24 利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻地炸弹 传感器安装位置传感器安装位置 三三、湿敏电容湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的吸湿性介质吸收空气中的水蒸气水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加大为增加（水的相对介电常数为水的相对介电常数为8080），），所以电所以电容量增大容量增大。 2015/12/6 Sunday 26 湿敏电容湿敏电容外形外形 吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜 2015/12/6 Sunday 27 湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容模块及传感器外形 2015/12/6 Sunday 28 湿敏电容传感器的安装使用湿敏电容传感器的安装使用 在野外的使用在野外的使用 带带报警器的家庭使用型报警器的家庭使用型 2015/12/6 Sunday 29 多孔性氧化铝湿

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