电容式传感器的工作原理及结构形式.ppt

2020 1 27 1 第五章电容传感器 本章学习电容传感器的原理及应用 还涉及压力 液位及流量的测量方法 2020 1 27 2 第一节电容式传感器的工作原理及结构形式 上式中 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 2020 1 27 3 第一节电容式传感器的工作原理及结构形式 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为 2020 1 27 4 一 变面积式电容传感器 图a是平板形直线位移式结构 其中极板1可以左右移动 称为动极板 极板2固定不动 称为定极板 图b是同心圆筒形变面积式传感器 外圆筒不动 内圆筒在外圆筒内作上 下直线运动 图c是一个角位移式的结构 极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时 两极板的遮盖面积A就减小 因而电容量也随之减小 2020 1 27 5 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 请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线 2020 1 27 6 二 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 改变了两极板之间的距离d 从而使电容量发生变化 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 2020 1 27 7 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 2020 1 27 8 三 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 2020 1 27 9 变介电常数式电容传感器的用途 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 2020 1 27 10 第二节电容式传感器的测量转换电路 调频电路 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 2020 1 27 11 调频 FM 电路 TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏 2020 1 27 12 第三节电容式传感器的应用 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 2020 1 27 14 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 2020 1 27 15 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 2020 1 27 16 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 2020 1 27 17 二 硅微加工加速度传感器 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 2020 1 27 18 微加工三轴加速度传感器 技术指标 灵敏度 500mV g 量程 10g 频率范围 0 5 2000Hz 安装谐振点 8kHz 分辨力 0 00004g 重量 200g 安装螺纹 M5mm 线性误差 1 2020 1 27 19 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 2020 1 27 20 利用微电子加工技术 可以将一块多晶硅加工成多层结构 在硅衬底上 制造出三个多晶硅电极 组成差动电容C1 C2 图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动 中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片 其左端固定在衬底上 所以相当于悬臂梁 当它感受到上下振动时 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 C转换成直流输出电压 它的激励源也做在同一壳体内 所以集成度很高 由于硅的弹性滞后很小 且悬臂梁的质量很轻 所以频率响应可达1kHz以上 允许加速度范围可达10g以上 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 2020 1 27 21 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 2020 1 27 22 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 2020 1 27 23 汽车气囊对驾驶员的保护作用 2020 1 27 24 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 2020 1 27 25 三 湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质 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 2020 1 27 26 湿敏电容外形 吸水高分子薄膜 2020 1 27 27 湿敏电容模块及传感器外形 2020 1 27 28 湿敏电容传感器的安装使用 在野外的使用 带报警器的家庭使用型 2020 1 27 29 多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 2020 1 27 30 四 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 2020 1 27 31 电容式油量表 当油箱中注满油时 液位上升 指针停留在转角为 m处 当油箱中的油位降低时 电容传感器的电容量Cx减小 电桥失去平衡 伺服电动机反转 指针逆时针偏转 示值减小 同时带动RP的滑动臂移动 当RP阻值达到一定值时 电桥又达到新的平衡状态 伺服电动机停转 指针停留在新的位置 x处 该油量表属于开环系统还是闭环系统 2020 1 27 32 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 2020 1 27 33 五 电容式接近开关 被检测物体可以是导电体 介质损耗较大的绝缘体 含水的物体 例如饲料 人体等 可以是接地的 也可以是不接地的 调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器 可以根据被测物不同来改变动作距离 2020 1 27 34 电容式接近开关外形 齐平式 非齐平式 2020 1 27 35 非齐平式接近开关的安装 非齐平式安装时 传感器高于安装支架 易损坏 2020 1 27 36 全密封防水式 远距离式 大量程 2020 1 27 37 电容接近开关的规格 2020 1 27 38 电容式接近开关在液位测量控制中的使用 2020 1 27 39 电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用 2020 1 27 40 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示 2020 1 27 41 不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响 2020 1 27 42 本章作业 P94 5 6 2020 1 27 43 休息一下