电子技术基础电容传感器

1、电子技术基础电容传感器2022/9/231第1页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四第一节 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2022/9/232第2页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四第一节 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2022/9/233第3页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四一、变面积

2、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。2022/9/234第4页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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！2022/9/235第5页，共44页，2

3、022年，5月20日，19点59分，星期四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=？2022/9/236第6页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四二、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。2022/9/237第7页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星

4、期四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 2022/9/238第8页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四三、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2022/9/239第9页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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

5、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？2022/9/2310第10页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四电容式液位计 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2022/9/2311第11页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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。2022/9/2312第12页，共4

6、4页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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2022/9/2313第13页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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2022/9/2314第14页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四第二节 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，

7、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？2022/9/2315第15页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四调频（FM）电路TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？ 2022/9/2316第16页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四第三节 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

8、通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。 2022/9/2317第17页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四一.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2022/9/2318第18页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四二、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

9、加速度的PWM 脉冲。2022/9/2319第19页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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% 2022/9/2320第20页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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）2022/9/2321第21页，共44页，202

10、2年，5月20日，19点59分，星期四 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

11、三维方向的振动或加速度。2022/9/2322第22页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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2022/9/2323第23页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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 。 2022/9/2324第24页，共44页，2022年，5月20日，19点

12、59分，星期四汽车气囊对驾驶员的保护作用2022/9/2325第25页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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2022/9/2326第26页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四三、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。 2022/9/2327第27页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四湿敏电容外形吸水高分子薄

13、膜2022/9/2328第28页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四湿敏电容模块及传感器外形2022/9/2329第29页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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2022/9/2330第30页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 2022/9/2331第31页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四四、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。2022/9/23

14、32第32页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四电容式油量表 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）。 2022/9/2333第33页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四 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2022/9/2334第34页，共44页，2022年，5月20日，19点59

15、分，星期四五、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。 2022/9/2335第35页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四电容式接近开关外形齐平式非齐平式2022/9/2336第36页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四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。2022/9/2337第37页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四全密封防水式远距离式（大量程）2022/9/2338第38页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四电容接近开关的规格2022/9/2339第39页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四电容式接近开关在液位测量控制中的使用2022/9/2340第40页，共44页，2022年，5月20日，19点59分，星期四 电容式接近开