第五章 电容传感器

自动检测技术课程授课教案PAGEPAGE1第五章电容传感器课题：电容传感器的原理及应用课时安排：4课次编号：8教材分析难点流量的测量重点电容传感器的应用教学目的和要求1.了解电容传感器的工作原理；2.掌握电容传感器的应用；3.了解电容接近开关的原理及应用；4.了解流量的测量方法。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种电容传感器各教学环节和内容演示：做以下的实验：将两片直径为30mm左右的圆形铜片相互接近，用万用表的“电容”“1000pF”量程，测量两者之间的电容量。可以看到：随着两者的靠近，电容量从0pF，逐渐增大。在短路之前，大约可增大到30pF。固定两个极板的距离，请学生在两者之间，慢速插入塑料薄膜，可以观察到：电容量逐渐增大，到100pF左右。保持两者的距离，将这两片铜片向水平方向平移，分开，可以看到：万用表所指示的电容量逐渐减小。从以上演示，引入第一节的电容传感器工作原理。第一节电容传感器的工作原理及结构形式平板电容器的电容量为（5-1）式中A——两极板相互遮盖的有效面积；d——两极板间的距离，也称为极距；ε——两极板间介质的介电常数；εr——两极板间介质的相对介电常数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.8510-12(F/m)。分析式（5-1）得出结论：在A、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，电容量C是A、d、ε的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。一、变面积式动极板1可以左右移动，称为动极板；极板2固定不动称为定极板。根据式（5-1）可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。图5-2变面积式电容传感器的结构及原理a）平板形直线位移式b）圆筒形直线位移式（剖面图）c）半圆形角位移式1－定极板2－动极板3－外圆筒4－内圆筒5－导轨6－测杆7－被测物8－水平基准二、变极距式变极距式电容传感器结构如图5-3所示。图中1为定极板，2为动极板。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。请学生分析图5－3，可以得到3个以上的结论：1、初始极距小，灵敏度高。2、非线性（缺点）；3、行程较小（两块极板短路）。图5-3变极距式电容传感器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3－弹性膜片差动电容传感器：请学生打开对比第三章的图3-4，以及第五章的图5-4的异同点。图5-4差动式电感传感器a）变隙式差动传感器b）螺线管式差动传感器1－上差动绕组2－铁心3－衔铁4－下差动绕组5－测杆6－工件7－基座图5-4差动式电容传感器结构示意图a）差动变极距式b）差动变面积式1－动极板2－定极板从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差动电容传感器的特点：1.优点：提高传感器的灵敏度，减小非线性。2.外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消.三、变介电常数式表5-1几种介质的相对介电常数介质名称相对介电常数εr介质名称相对介电常数εr真空1玻璃釉3~5空气略大于1SiO238其他气体1~1.2①云母5~8变压器油2~4干的纸2~4硅油2~3.5干的谷物3~5聚丙烯2~2.2环氧树脂3~10聚苯乙烯2.4~2.6高频陶瓷10~160聚四氟乙烯2.0低频陶瓷、压电陶瓷1000~10000聚偏二氟乙烯3~5纯净的水80图5-5变介电常数式电容传感器用于测量介质的厚度分析表5-1和图5-5，得出以下结论：变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ越厚，电容量也就越大。提问：湿的纸的电容量如何变化？当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（εr水>>1）时，电容量将变大。当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变大。第二节电容传感器的测量转换电路调频电路（5-2）请学生将上式以及图5-8（调频电路框图）与图4-5比较。结论：式（5-2）和图5-8中，L0为常数；C为变量，其他基本相同。图5-8调频电路框图分析上图中的各个方框的功能。第三节电容传感器的应用图5-5所示的简单结构就可以用于测量纸张含水量、塑料薄膜的厚度等。而图5-2b所示的传感器就可以用于测量工件的尺寸，图5-2c可以用于测量机械臂的角位移。可以利用图5-5b所示的距变化的原理，测量压力；可以利用图5-5a所示的基本原理，精确地测量角位移和直线位移，构成电子千分尺；利用介电常数变化的原理，可以测量空气相对湿度、液位、物位等。分析：电容加速度传感器、湿敏电容。一、电容测厚仪（略）二、电容加速度传感器由于微电子机械系统（MEMS）技术的发展，可以用硅微机械加工技术，将一块多晶硅加工成多层结构，制作成“三明治”摆式硅微电容加速度传感器，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。它的核心部分只有φ3mm左右，与测量转换电路一起封装在8脚帽型TO-5金属封装中或贴片IC封装中，外形酷似普通的集成电路。其内部核心部分如图5-10b、c所示。图5-10硅微电容加速度传感器结构示意图a）贴片封装外形b）“三明治”多晶硅多层结构c）加速度测试单元的工作原理1－加速度测试单元2－信号调理单元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）将该加速度电容传感器安装在炸弹上，可以控制炸弹爆炸的延时时刻；安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。分析：当正常刹车和小事故碰擦时，传感器输出信号较小。当其测得的负加速度值超过设定值时，CPU据此判断发生碰撞，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。怎样让折叠式安全气囊迅速充气而膨胀？A.人工吹气;B.汽车发动机带动气泵吹气;C.微型炸药爆燃充气？五、电容接近开关1．结构电容接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容传感器，结构如图5-14a所示。检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体后部，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。图5-14圆柱形电容接近开关的结构及原理框图a）结构示意图b）调幅式测量转换电路原理框图1－被测物2－上检测极板（或内圆电极）3－下检测极板（或外圆电极）4－充填树脂5－测量转换电路板6－塑料外壳7－灵敏度调节电位器RP8－动作指示灯9－电缆UR－比较器的基准电压2．电容接近开关的工作原理电容接近开关的调幅式测量转换电路原理框图如图5-15b所示，由RC高频振荡器、检波器、低通滤波器、直流电压放大器、电压比较器等组成。复习：什么是电压比较器？电容接近开关的感应板由两个同心圆金属平面电极构成，很像两块“打开的”电容器电极。当没有被测物体靠近电容接近开关时，由于C1与C2很小，RC振荡器停振。当被测物体朝着电容接近开关的两个同心圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成电容C接到RC振荡回路中。等效电容C即是C1、C2的串联结果总的电容量增大。当C增大到设定数值后，RC振荡器起振，工作电流增大。振荡器的高频输出电压uo经二极管检波和低通滤波器，得到正半周的平均值。再经直流电压放大电路放大后，Uo1与灵敏度调节电位器RP设定的基准电压UR进行比较。若Uo1超过基准电压时，比较器翻转，输出动作信号（高电平或低电平），从而起到了检测有无物体靠近的目的。3．电容接近开关的特性及调试电容接近开关的分类：接近开关的输出有NPN、PNP和AC两线制等多种型式。图5-15b中的Rf在比较器电路中起正反馈作用，使比较器具有施密特特性。Rf越小，翻转时的回差就越大，抗干扰能力就越强，通常将回差控制在动作距离的20%之内。复习：施密特特性。如果在图5-14b所示的比较器之后再设置OC门输出级电路，就有较大的负载能力。通常可以驱动100mA的感性负载，或300mA的阻性负载，具体电路请参见图4-16。电容接近开关的检测距离与被测物体的材料性质有较大关系，如图5-15所示。复习：图4-16所述的“OC门”。不同的材料的灵敏度及动作距离：对于非金属物体，例如：水、油、纸板、皮革、塑料、陶瓷、玻璃、沙石、粮食等，动作距离决定于材料的介电常数和导电率以及物体的面积。介电常数大、且导电性能较好的物体（例如含水的有机物等），且面积达到电容接近开关直径的2倍以上时，动作距离只略大于金属。物体的含水量越小，面积越小，动作距离也越小，灵敏度就越低，玻璃、尼龙等物体的灵敏度较低。电容接近开关的调试：大多数电容接近开关的尾部有一个多圈微调电位器RP，用于调整特定对象的动作距离。当被测试对象的介电常数较低、且导电性较差时，可以顺时针旋转电位器的旋转臂，来降低比较器正输入端的基准电压UR，从而可降低负输入端的“翻转电压阈值”，增加灵敏度。一般调节电位器，使电容接近开关在1.3Sn（Sn为电容接近开关对特定被测物的工作距离）的位置动作，以提高可靠性。当被测液体与接近开关之间隔着一层玻璃时，可以适当改变灵敏度，以扣除玻璃的影响。第四节压力、液位和流量的测量一、压力的基本概念及压力传感器的类型物理学中的“压强”在检测领域和工业中称为“压力”，用p表示。压力的国际单位为帕斯卡（Pa）压力分类1．绝对压力传感器它所测得的压力数值是相对于密封在绝对压力传感器内部的基准真空（相当于零压力参考点）而言的。当绝对压力小于101kPa时，可以认为是“负压”，所测得压力相当于真空度。2．差压传感器差压是指两个压力p1和p2之差，又称为压力差。当差压表两侧面均向大气敞开时，差压等于零。举例：p1=0.9～1.1MPa，p2=0.9～1.0MPa，就必须选择测量范围为-0.1～＋0.2MPa的差压传感器。3．表压传感器表压传感器常称为压力传感器。它以环境大气压为参考基准，将差压传感器的一侧向大气敞开，就形成表压传感器。在工业生产和日常生活中所提到的压力绝大多数指的是表压，生产中所使用的压力表绝大多数都属于表压传感器，而计量领域多使用绝对压力传感器。二、差动电容式差压变送器差动电容式差压变送器结构的核心部分是一个变极距差动式电容传感器。图5-17差动电容式差压变送器结构示意图a）结构b）外观1－高压侧进气口2－低压侧进气口3－过滤片4－空腔5－柔性不锈钢波纹隔离膜片6－导压硅油7－凹形玻璃圆片8－镀金凹形电极（定极板）9－弹性平膜片10－δ腔11－铝合金外壳12－限位波纹盘13－过压保护悬浮波纹膜片14公共参考端（地电位）15－螺纹压力接头16－测量转换电路及显示器铝合金盒17－信号电缆分析测量过程：当被测压力p1、p2由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔，该压力通过不锈钢波纹隔离膜和导压硅油，传导到“δ腔”。弹性平膜片由于受到来自两侧的压力之差，而凸向压力小的一侧。在δ腔中，弹性膜片与两侧的镀金定极之间的距离很小（约0.5mm左右），所以微小的位移（不大于0.1mm）就可以使电容量变化100pF以上。测量转换电路（相敏检波器）将此电容量的变化转换成4～20mA的标准电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪表。三、利用差压变送器测量液体的液位图5-18电容差压式液位计1－储液罐2－液面3－上部空间4－高压侧管道5－电容差压变送器6－低压侧管道电容差压变送器的高压侧（p+）进气孔及低压侧（p-）进气孔通过管道与储液罐相连，就组成差压式液位计p+=p0+ρg(h-h0）p-=p0则：p=p+-p-=g(h-h0）差压变送器的输出信号与差压变送器正取压孔上方的液体高度H成正比。如果考虑到差压变送器的安装高度h0，则总的液位h=h0+Δp/ρg。四、流量的基本概念流量的定义：流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别称为体积流量qV和质量流量qm。这种单位时间内的流量统称为瞬时流量q。把瞬时流量对时间t进行积分，求出累计体积或累计质量的总和，称为累积流量，也叫总量。流速法测量流量：流速v越快，瞬时流量越大；管道的截面积越大，瞬时流量也越大。根据瞬时流量的定义，体积流量qV=Av，单位为m3/h或L/s；质量流量qm=ρAv，单位为t/h或kg/s。上两式中，v为流过某截面的平均流速，A为管道的截面积，ρ为流体的密度。（5-7）式中q总——累积流量；——在某一时段内的平均瞬时流量；ti——该时段经历的时间。采用测量流速v而推算出流量的仪器称为流速法流量计。测量流量的其他方法：容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。五、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用差压式流量计又称节流式流量计。在流体流动的管道内，设置一个节流装置，如图5-20所示。图5-20节流式流量计a）流体流经节流孔板时，流速和压力的变化情况b）测量液体时导压管的标准安装方法c）测量气体时导压管的标准安装方法1－上游管道2－流体3－节流孔板4－前取压孔位置5－后取压孔位置6－截止阀7－放气阀8－排水阀9－差压变送器10－均压阀所谓节流