《传感器检测技术》课件-第六章液位检测技术

传感器与检测技术6.1电容传感器的工作原理第六章液位检测技术电容传感器的工作原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容变化的一种传感元件。电容式传感器的测量原理框图如下图。电容传感器的工作原理应用与特点电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：结构简单、体积小、分辨率高可实现非接触式测量动态响应好能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象电容传感器的工作原理电容式传感器的工作原理平板结构一个平行板电容器，如果不考虑其边缘效应，则电器的容量为若保持其中两个参数不变，通过被测量的变化改变其中的一个参数，就可把被测量的变化转换为电容量的变化。这就是电容传感器的基本工作原理。ꜫ-极板间介质的介电常数，ꜫ0-真空介电常数，ꜫr-极板间介质的相对介电常数，A-两个平行板覆盖面积，d-两平行板之间的距离电容传感器的工作原理电容式传感器的分类

在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出平板电容式传感器的种类：变极板间距离的变极距型改变极板面积的变面积型改变介质介电常数的变介质型变极矩型变面积型变介质型电容传感器的工作原理电容式传感器的各种结构电容传感器的工作原理变面积型电容式传感器电容量变化为电容改变量与位移成线性关系电容传感器的工作原理变面积型电容式传感器设两极板全重合（θ=0）时的电容量为C0。动片转动角度θ后，电容量变为Cθ扇形面积电容量变化角度的变化与电容的变化成线性关系电容改变量与角位移呈线性关系电容传感器的工作原理变面积型电容式传感器当外力使电容器的动极板（内圆柱）发生位移后，电容器的电容量变为电容量的相对变化为电容传感器的工作原理变极距型电容式传感器简化：近似线性关系电容传感器的工作原理击穿问题

一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。电容传感器的工作原理变介质型电容式传感器电容传感器的工作原理(1)线位移设极板宽度为b，长度l，间距d0。板间无介质εr2时：插入介质εr2后：线性关系电容传感器的工作原理(1)线位移设极板宽度为b，长度l，间距d0。板间无介质εr2时：插入介质εr2后：线性关系电容传感器的工作原理(2)液位2R2rhhx线性关系电容传感器的工作原理基本变极距式电容传感器工作原理设εr和A不变，初始状极距为d0时，电容器容量C0板间距离减小时电容量的相对变化与间隙的相对变化成正比。板间距离增大时，电容量的相对变化。电容传感器的工作原理灵敏度非线性误差电容传感器的工作原理差动结构变极距式电容传感器为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，改善线性度，实际应用时常采用差动式结构。

差动式电容器结构输出灵敏度提高了一倍

非线性误差电容传感器的工作原理差动的好处灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善6.2.1超声波传感器的结构辐射与波式传感器超声波传感器的结构超声波传感器超声波技术是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术;通过超声波的产生传播接受等物理过程完成。超声波传感器主要功能是产生、接收超声波信号。根据超声波的各种物理特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。超声波传感器的结构超声探头的分类（1）按工作原理分类。按照工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等（2）按波型分类。按照在被探工件中产生的波型可分为纵波探头、横波探头和表面波探头（3）按入射声束方向分类。按入射波束方向可分为直探头和斜探头。（4）按晶片数目分类。按照探头中压电晶片的数目可分为单晶探头、双晶探头和多晶片探头把发射部分和接收部分均称为超声波换能器，也称为超声波探头超声波传感器的结构压电式超声波传感器

压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。超声波传感器的结构主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。

直式换能器超声波传感器的结构利用透声楔块使声束倾斜于工件表面射入工件的探头称为斜式换能器，简称斜探头。斜式换能器斜式换能器结构图超声波传感器的结构磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的。磁致伸缩式超声波传感器磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。超声波传感器的结构超声波压电陶瓷片的形式超声波传感器的结构超声波传感器的形式6.2.3超声波传感器的应用案例辐射与波式传感器超声波传感器的应用案例超声波传感器的应用超声波测厚脉冲回波法检测厚度工作原理超声波传感器的应用案例超声波传感器的应用超声波测物位几种超声波检测物位工作原理倒车雷达原理超声波传感器的应用案例超声波测流量

超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。时差法测流量

相位差法测流量频率差法测流量超声波测流体流量工作原理超声波传感器的应用案例穿透法探伤优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。穿透法探伤原理

超声波传感器的应用案例一次脉冲反射法一次脉冲反射法探伤原理超声波传感器的应用案例多次脉冲反射法多次脉冲反射法探伤原理超声波传感器的应用案例超声波指纹识别指纹有螺旋形、环形和弓形三种基本形状；总体特征的区域特征模式有：核心点、三角点、式样线；指纹的局部特征（指指纹上的节点）：终止点、分叉点、三角点和中心点等指纹识别是指通过比较采集的指纹与预先保存的指纹二者的特征点异同来进行鉴别的过程；是提取细节特征点的类型及位置等进行比对。超声波传感器的应用案例超声波指纹识别

超声波指纹采集的原理是利用超声波具有穿透材料的能力，且超声波到达不同材质表面时，被吸收、穿透与反射的程度不同，产生大小不同的回波；当向某一方向发射超声波时，检测超声波从发射到反射回来的时间，可以计算出发射点距反射点的距离；对物体进行多点扫描，可由多点汇集出物体的表面形状。利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异可以区分指纹嵴与峪所在的位置