电容式传感器的工作原理及结构形式.ppt

2019/7/10,1,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。,2019/7/10,2,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,2019/7/10,3,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,2019/7/10,4,一、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。,2019/7/10,5,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！,2019/7/10,6,二、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。,2019/7/10,7,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,2019/7/10,8,三、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,2019/7/10,9,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？,2019/7/10,10,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？,2019/7/10,11,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？,2019/7/10,12,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,2019/7/10,14,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。,2019/7/10,15,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,2019/7/10,16,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,2019/7/10,17,二、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2.75.25V，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。,2019/7/10,18,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：M5 mm ， 线性误差：1%,2019/7/10,19,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）,2019/7/10,20,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。,2019/7/10,21,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,2019/7/10,22,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 。,2019/7/10,23,汽车气囊对驾驶员的保护作用,2019/7/10,24,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,2019/7/10,25,三、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。,2019/7/10,26,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,2019/7/10,27,湿敏电容模块及传感器外形,2019/7/10,28,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,2019/7/10,29,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,2019/7/10,30,四、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。,2019/7/10,31,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？,2019/7/10,32,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,2019/7/10,33,五、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。,2019/7/10,34,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,2019/7/10,35,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。,2019/7/10,36,全密封防水式,远距离式（大量程）,2019/7/10,37,电容接近开关的规格,2019/7/10,38