电子技术基础 电容传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,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。,10/29/2025,1,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,10/29/2025,2,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,10/29/2025,3,一、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。,10/29/2025,4,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！,10/29/2025,5,例题,已知变面积型电容传感器的两极板间距离为,d=10mm;=50F/m;,两极板几何尺寸一样为,30mm*20mm*5mm,（长*宽*厚）,;,在外力作用下动极板在原位置向外移动,10mm,（宽）；试求,C=,？,10/29/2025,6,二、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,d,0,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。,10/29/2025,7,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,d,0,小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距,d,0,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,10/29/2025,8,三、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,10/29/2025,9,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？,10/29/2025,10,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,10/29/2025,11,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。,10/29/2025,12,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,10/29/2025,13,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,10/29/2025,14,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,C,x,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？,10/29/2025,15,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？,10/29/2025,16,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。,10/29/2025,17,一,.,电容测厚仪,1.,测金属板材的厚度,C1,，,C2,并联，为了克服极板上下波动引起的误差,是变极距式原理,2.,测绝缘体厚度,变介电常数式原理，电容量与绝缘薄膜厚度成正比,10/29/2025,18,二、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。,10/29/2025,19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%,10/29/2025,20,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）,10/29/2025,21,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,C,1,、,C,2,。,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，,C,1,、,C,2,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,100g,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。,10/29/2025,22,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,10/29/2025,23,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。,10/29/2025,24,汽车气囊对驾驶员的保护作用,10/29/2025,25,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,10/29/2025,26,三、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。,10/29/2025,27,湿敏电容,外形,吸水高分子薄膜,10/29/2025,28,湿敏电容模块及传感器外形,10/29/2025,29,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,10/29/2025,30,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,10/29/2025,31,四、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。,10/29/2025,32,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,C,x,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）。,10/29/2025,33,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,10/29/2025,34,五、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。,10/29/2025,35,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,10/29/2025,36,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。,10/29/2025,37,全,密封防水,式,远距离式（大量程）,10/29/2025,38,电容接近开关的规格,10/29/2025,39,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,10/29/2025,40,电容式接近开关在 液位物位测量控制中的使用,10/29/2025,41,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,10/29/2025,42,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,10/29/2025,43,本章作业：,P 94,：,2,10/29/2025,44,