传感器检测与应用视频课件省奖作者王斌书号9787118082821学习情境5.饮料包装中液位的自动检测.ppt

传感器检测与应用,学习情境五：液位的检测 ——饮料包装中液位的自动检测,学习情境五：液位的检测 ——饮料包装中液位的自动检测,情境介绍： 饮料包装中产品净含量是否达标是产品质量的一个重要指标虽然在饮料灌注机上使用精确流量计来满足定量灌装的要求，但灌注机长期高速运行会导致灌注机件磨损或喷管堵塞，从而造成灌注的实际值设定值有偏差；有些含气饮料刚灌注好时会有大量泡沫存在，如果瓶盖没盖严，饮料将会溢出，从而导致饮料实际含量偏低所以，在实际生产中，饮料灌装好后要用液位检测仪实时检测瓶子的液位 电容式传感器能够方便准确地检测出液位是否满足要求，本学习情境在电容传感器基本原理的基础上，通过电容传感器的运用，实现了一种饮料液位自动检测装置学习情境五：液位的检测 ——饮料包装中液位的自动检测,学习要点： 电容传感器工作原理、分类及转换电路； 电容传感器的应用； 饮料液位检测的实现方法和电路基本原理，电路制作、调试过程知识点拨 电容式传感器实现液位的检测 饮料包装中液位检测电路的设计 知识拓展,学习情境五：液位的检测 ——饮料包装中液位的自动检测,一、电容式传感器的工作原理 二、电容式传感器的结构类型,知识点拨,左式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,电容传感器的基本理想公式为,一、电容式传感器的工作原理 电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。

改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器电容传感器的基本理想公式,,d：极板间距离； A：极板面积；  ：电容极板间介质的介电常数二、电容式传感器的结构类型,1、变面积式,（1）结构,对平行板电容：一极板固定，另一极板可左右移动，从而改变了两极板间的遮盖面积（减小），电容量随之减小 对同心圆筒形电容：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动，两圆筒间隙不变，从而改变了两同心圆筒的遮盖面积，电容量随之改变 对转角型电容：一极板不动，另一极板由被测物体带动而旋转一个角位移时，两极板遮盖面积减小，电容量随之减小2）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线性的，灵敏度是常数这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量2、变极距式,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d，从而使电容量发生变化变极距式电容传感器的特性曲线,从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？,a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板,特点：,初始极距d0越小，对同样的位移X所引起的电容变化量越大，即灵敏度越高。

实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点 输出特性为非线性，可以由计算机修正改进：差动式电容传感器,从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差动电容传感器的好处：提高传感器的灵敏度，减小非线性；外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消3、变介电常数式,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同表5-1 几种介质的相对介电常数,根据表5-1，分析不同介质对变介电常数电容器的影响在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？,,,变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等 当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ越厚，电容量也就越大电容式传感器实现液位的检测,一、测量转换电路 二、电容式液位检测,一、测量转换电路,1、变压器电桥,,（1）单臂接法：由三个标准电容和电容传感器构成桥路的四个桥臂，当电容传感器的电容值与标准电容相等时，桥路输出为零；当电容传感器的电容量发生变化时，桥路产生输出信号，输出电压的大小与被测电容成正比。

2）差动接法： 采用差动电容传感器，其输出电压的大小与传感器电容的变化量成正比；相位须由相敏检波电路分辨，才能检测出电容传感器的位移方向调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生变化，就使振荡器的频率 f 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何区别？式中哪些量是变量？,2、调频电路,调频（FM）电路,,,1、液位检测原理,当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变大二、电容式液位检测,经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：,也就是说灵敏度为常数其中A、B均为与结构和介质有关的常数2、电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大聚四氟乙烯外套,,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量当液位到达设定值时，它输出低电平但也可以选择输出为高电平的型号。

液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号设定按钮,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,,正常工作指示灯,设定按钮,,,,,电源指示灯,3、电容式油量表,机械式油量表：,在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量电容式油量表,当油箱中注满油时，液位上升至h，电容量发生变化，电桥失去平衡，输出电压信号放大后驱动伺服电机，带动指针偏转，同时带动滑触点移动，使电桥重新平衡，电机停转，指针停留在转角θ处上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？,该油量表可用于飞机油箱,,饮料包装中液位检测电路 的设计,目前，饮料包装中的液位检测方法主要有射线、红外线、光学、红外热成像以及声波等，但这些方法都有一定的缺陷利用电容式传感器进行液位测量的基本原理，可以设计出一套测量精度高、速度快、造价低、维护容易的液位检测装置，两且这个设备对被测对象没有过多要求，对人体没有伤害本设计实现的液位检测利用的是变介电常数式的电容传感器工作原理。

一、检测原理 以玻璃瓶装饮料为例，电容传感器的两块电极放置在瓶颈两侧，电极与瓶颈之间留有一定的间距，以免瓶子在输送带上运行时碰撞到电极，电极的离度以液位在电极的检测范围内为宜这样两电极间有三种介质，分别是饮料，玻璃和空气已知饮料(水)为极性电介质，其相对介电常数为81，玻璃和空气属非极性电介质，介电常数分别势2.2和1由于水的介电常数远大予空气和玻璃的介电常数，所以瓶中液位的变化将明显改变检测电极的电容当液位增加时，电容增大，液位降低时，电容减小失了检测电容的变化，把传感器电容C和固定电阻R串联起来，接在高频信号源上高频振荡源产生稳定的正弦波，当电容增大时，电路阻抗降低，流过R上的电流量增大，R上的电压增大把R上的电压放大、整流、滤波后就可以得到稳定的直流电压输出，通过和给定的电压值进行比较，就可以判断液位是否合格原理分析,二、传感器电路设计 1、振荡源电路 晶体振荡电路具有很高的频率稳定度，输出振幅稳定，受温度变化影响小，容易起振这些优点满足了高频振荡源的设计要求本电路采用一个调谐式晶体管晶体振荡电路晶体呈感性Lo、Co够成输出调谐电路，使回路呈容性，同时还能滤除高次谐波，得输出接近正弦的波形。

整个电路实际为一个标准的电容三点式振荡器2、检测电路 本电路使用集成芯片TCA440作为混频器，此芯片不仅包含吉尔伯特双平衡混频电路还包含4级中频放大电路吉尔伯特双平衡混频电路可以稳定检测到的微弱变化信号 芯片的输出信号仍比较微弱且存在杂波，如果直接整流，无法达到二极管的最小正向电压于是输出端接上LC串联谐振滤波电路后，再接上一级共射极放大电路信号的整流滤波电路由射极跟随器、锗二极管和低通滤波器(R1，C3)组成 为了方便后期数据处理，用电压源型低通滤波器，滤除直流信号中的交流噪声；通过调节基准电压的大小，最终得到适合的直流输出电压三、检测系统的设计 液位检测装置的系统构成下图，控制器C8051F021片内集成了A／D转换模块，转换精度高、转换速度快能够满足快速液位检测的要求为了实现系统的自动检测，使用光电开关作为A／D转换的触发信号，当输送带上的瓶子运行到检测电极的范围内时，光电开关输出一个负脉冲，启动中断程序，执行A／D转换，如果A／D转换的值大于给定值，表明该瓶液位合格；如果转换结果小于给定值，表明该液位不合格，单片机启动剔除器，把液位不合格的瓶子剔除掉学习情境的检查评价 是否掌握电容式传感器的基本原理和类型； 是否掌握利用电容式传感器进行液位测量的原理； 能否正确分析饮料液位自动检测设备的系统结构以及主要电路的工作原理。

对液位检测的结果能否正确分析传感器的性能好坏知识拓展,Ⅰ 电容式传感器的其他用途 Ⅱ 差动电容式差压变送器,Ⅰ 电容式传感器的其他用途,电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A 和极间介电常数固定其中两个变量，电容量C 就是另一个变量的一元函数只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的一、电容式测厚仪,被测金属带材的上下各放置一块面积相等、与带材距离相等的极板，与带材构成两个电容C1和C2将两极板用导线连起来，则C1和C2并联，其总电容为C1+C2如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，可由显示仪表显示出带材厚度的变化使用上、下两个极板，是为了克服带材在传输过程中的上下波动带来的误差二、转速测量,当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换成脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小三、电容加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。

硅微加工加速度传感器,硅微加工加速度传感器原理,1—加速度测试单元 2—信号处理电路 3—衬底 4—底层多晶硅（下电极） 5—多晶硅悬臂梁 6—顶层多晶硅（上电极）,,C1、C2呈差动变化与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC 转换成直流输出电压 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，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,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部装有传感器的假人,,气囊,,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时，经控制系统使气囊迅速充气 利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,,四、湿敏电容,原理:利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大类型:多孔性氧化铝、吸水高分子薄膜,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,特性见图5-12。