第3章 电容式传感器 教案

《传感器与检测技术》

授课教案课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：第3章电容式传感器与液位检测课时安排：2授课类型：理论重难点重点电容式传感器的工作原理和测量电路难点电容式传感器的检测机理和典型应用教学目的和要求1．熟悉电容式传感器的工作原理；2.了解电容式传感器的结构；3.掌握电容式传感器的测量电路；4.熟悉电容式传感器的应用。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：QSCGQ-ZX型系列传感器与检测技术实验台教学内容3.1电容传感器的结构和工作原理以平行板电容器为例，当不考虑边缘电场影响时，平板电容器的电容值可表示为：式中：—电容极板间介质的介电常数，=0r，其中0为真空介电常数，r为极板间介质的相对介电常数；A—两平行板正对面积；d—两平行板之间的距离。根据参数变化的特性，将电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种。3.1.1变面积型电容传感器变面积型电容传感器有平行板式、角位移式、圆筒式等。1．平行板式变面积电容传感器图3-2平行板式变面积电容传感器当动极板相对于定极板沿长度方向平移x后，面积发生变化：Ax=b(a-x)，电容量Cx也随之改变，可表示为：灵敏度：可知：变面积式电容传感器的灵敏度K为常数，符号为负，即动极板的位移量越大，电容值越小；增大极板宽度，减小极板间的距离都可以提高灵敏度；电容量C与水平位移x呈线性关系。2．角位移式变面积电容传感器图3-3角位移式变面积电容传感器当动极板有一角位移时，电容量可表示为：可知，与平行板式一样，角位移式电容传感器的输出特性也是线性的，动极板的角位移越大，电容值越小。3．圆筒式变面积电容传感器图3-4圆筒式变面积电容传感器当内圆筒移出x时，电容量可表示为：可知，圆筒式变面积电容传感器的输出特性仍为线性，内圆筒移出的位移量越大，电容值越小；其灵敏度与圆筒长度L有关，L越小，灵敏度越高。3.1.2变极距型电容传感器图3-5变极距型电容传感器当动极板向上移动x值后，极距减小x，其电容值Cx可表示为：可知，传感器的输出特性不是线性关系，而是非线性的，应用时需作近似线性处理。当x/d0<<1时（即位移远小于极板初始距离时），(x/d0)2近似为0，1－(x/d0)2≈1，则上式可以简化为：此时电容值Cx与位移x的关系近似为线性。传感器灵敏度为：3.1.3变介质型电容传感器1．位移型变介质电容传感器图3-6位移型变介质电容传感器2．液位型变介质电容传感器图3-7液位型变介质电容传感器3.1.4差动结构的电容传感器为了改善变极距型电容传感器的非线性，可以采用差动型电容传感器，使用三个极板构成两个电容传感器，中间的极板是动极板，由C1和C2共用。图3-8差动型电容传感器将C1、C2接入差动电桥电路后，能减小非线性误差，使传感器的灵敏度提高一倍，同时，外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等造成的误差也基本能相互抵消。3.2电容传感器的测量电路3.2.1交流电桥电路图3-9电桥测量电路当C1=C2=C0时，交流电桥处于平衡状态；工作时，C1=C0+ΔC，C2=C0－ΔC，空载输出电压为：电桥的输出电压与电容变化成正比，与位移量之间的关系为线性，灵敏度提高到了单电容传感器的两倍。3.2.2运算放大器电路图3-10运算放大器电路Cx是变极距型电容传感器，C0为固定电容，放大器的运算关系为：运算放大器的输出电压与极距之间为线性关系，它从原理上解决了变极距型电容传感器的非线性问题。3.2.3调频电路调频振荡器的振荡频率为：图3-11调频电路3.3电容传感器的典型应用3.3.1电容传感器的应用特点①测量范围大；②灵敏度高；③动态响应快、固有频率高；④稳定性好。3.3.2电容传感器的应用举例1．电容式压力传感器2．电容式测厚仪1）金属带材在轧制过程中的厚度检测2）非金属带材厚度的检测3．电容式加速度传感器4．电容式湿度传感器5．电容式位移传感器6．电容式液位计7．电容式接近开关8．电容式指纹识别传感器作业布置3-1、3-2、3-2、3-4

课程性质：班级名称：学生人数：授课教师：课题：实验五差动变面积式电容传感器的静态及动态特性课时安排：2授课类型：实训课重难点重点差动变面积式电容传感器的原理及其特性难点差动变面积式电容传感器的原理及其特性教学目的和要求了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：QSCGQ-ZX型系列传感器与检测技术实验台教学内容一、实验原理差动变面积式电容传感器的测试原理二、实验器材电容传感器、差动变换器Ⅱ、低通滤波器、电压表、测微头、示波器。差动变换器Ⅱ增益旋钮置于中间，电压表置于20V档，电容放大器增益最大。三、实验步骤1．差动变换器II调零，按图S5.1接线。图S5.1接线参考图2．电压表2V档，安装好测微头，让测微头与振动台吸合，调节测微头使电压表的输出为零。转动测微头,每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止。X(mm)V(mv)4．退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下X(mm)及V(mv)值。5．计算系统灵敏度Ｓ。Ｓ＝ΔＶ