電子技術(shù)基礎(chǔ) 電容傳感器

1、2024/3/31,1,第五章 電容傳感器,本章學(xué)習(xí)電容傳感器的原理及應(yīng)用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。,2024/3/31,2,第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式,上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？,電容傳感器的基本理想公式為,2024/3/31,3,第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式,改變A、d、? 三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C 改變。 固定

2、三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。,電容傳感器的基本理想公式為,2024/3/31,4,一、變面積式電容傳感器,圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移? 度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。,2024/3/31

3、,5,變面積式電容傳感器的特性,變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。 請畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！,2024/3/31,6,例題,已知變面積型電容傳感器的兩極板間距離為d=10mm;ε=50μF/m;兩極板幾何尺寸一樣為30mm*20mm*5mm（長*寬*厚）;在外力作用下動極板在原位置向外移動10mm（寬）；試求ΔC=？,2024/

4、3/31,7,二、變極距式電容傳感器,當(dāng)動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。,實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。,2024/3/31,8,變極距式電容傳感器的特性曲線,從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變??？,a）   

5、; 結(jié)構(gòu)示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板 2—動極板,2024/3/31,9,三、變介電常數(shù)式,因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。,表5-1 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù),2024/3/31,10,變介電常數(shù)式電容傳感器的用途,根據(jù)表5-1，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什

6、么非電量？,2024/3/31,11,電容式液位計,棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。,聚四氟乙烯外套,,2024/3/31,12,電容式液位限位傳感器,液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。,2024/3/31,13,液位限位傳感器的設(shè)定,智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分

7、簡單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當(dāng)水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。,,,設(shè)定按鈕,2024/3/31,14,智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕,超限燈,,正常工作指示燈,設(shè)定按鈕,,,,,電源 指示燈,2024/3/31,15,第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路 （調(diào)頻電路 ）,調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC 振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器

8、工作時，電容Cx 發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。,,電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？,,2024/3/31,16,調(diào)頻（FM）電路,TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？,,2024/3/31,17,第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用,電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A 和極間介電常數(shù)? 。固定其中兩個變 量，電容量C 就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量

9、轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。,2024/3/31,18,一.電容測厚儀,1.測金屬板材的厚度 C1，C2并聯(lián)，為了克服極板上下波動引起的誤差是變極距式原理2.測絕緣體厚度 變介電常數(shù)式原理，電容量與絕緣薄膜厚度成正比,2024/3/31,19,二、硅微加工加速度傳感器,圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速

10、度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM 脈沖。,2024/3/31,20,微加工三軸加速度傳感器,技術(shù)指標(biāo)： 靈敏度：500mV/g ， 量程：10g， 頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點:8kHz ， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ，

11、安裝螺紋：M5 mm ， 線性誤差：≤1%,2024/3/31,21,硅微加工加速度傳感器原理,1—加速度測試單元 2—信號處理電路 3—襯底 4—底層多晶硅（下電極） 5—多晶硅懸臂梁 6—頂層多晶硅（上電極）,2024/3/31,22,利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié) 構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。

12、中間層多晶硅是一個可以上下微動的振動片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。 當(dāng)它感受到上下振動時，C1、C2呈差動變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將ΔC 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達1kHz以上，允許加速度范圍可達100g 以上。 如果在殼體內(nèi)的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器，就

13、可以測量三維方向的振動或加速度。,2024/3/31,23,加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用,加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時， 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰 撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。,裝有傳感器的假人,,氣囊,,2024/3/31,24,汽車氣囊的保護作用,使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。,2024/3/

14、31,25,汽車氣囊對駕駛員的保護作用,2024/3/31,26,利用加速度傳感器實現(xiàn) 延時起爆的鉆地炸彈,傳感器安裝位置,,2024/3/31,27,三、濕敏電容,利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對濕度增大時，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對介電常數(shù)大為增加（水的相對介電常數(shù)為80），所以電容量增大。,2024/3/31,28,濕敏電容外形,吸水高分子薄膜,,20

15、24/3/31,29,濕敏電容模塊及傳感器外形,2024/3/31,30,濕敏電容傳感器的安裝使用,在野外的使用,帶報警器的家庭使用型,2024/3/31,31,多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形,2024/3/31,32,四、電容式油量表,機械式油量表：,在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。,2024/3/31,33,電容式油量表,當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為?m處。當(dāng)

16、油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（? x 處）。,,2024/3/31,34,上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時可以使用嗎？為什么？,該油量表可用于飛機油箱,2024/3/31,35,五、電容式接近開關(guān),被檢測物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例

17、如飼料、人體等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。 調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。,2024/3/31,36,電容式接近開關(guān)外形,齊平式,非齊平式,,,2024/3/31,37,非齊平式接近開關(guān)的安裝,非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。,,,2024/3/31,38,全密封防水式,遠距離式（大量程）,2024/3/31,39,電容接近開關(guān)的規(guī)格,2024/3/31,40,電容式接近開關(guān)