智能传感与检测技术 教案 2 电容式传感器

《智能传感与检测技术》课程教案授课章节第2章电容式传感器2.1电容式传感器的原理与结构2.2电容式传感器的测量转换电路2.3电容式传感器的应用实例建议课时授课方式理论知识讲授+多媒体演示+课堂提问讨论所属专业教学目标掌握电容式传感器的工作原理以及分类熟悉电容式传感器的测量转换电路熟悉电容式传感器在工程上的应用教学重点电容式传感器的原理及分类电容式传感器的典型应用教学难点电容式传感器的测量转换电路参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』演示：准备形状大小相同的两片铜片以及万用表。将铜片互相接近，用万用表测量两者间的电容量，可以看到，随着二者的靠近，电容量逐渐增大；保持铜片的距离不变，请学生在两者之间逐渐插入塑料薄膜，用万用表测量两者间的电容量，可以看到电容量逐渐增大；保持铜片距离不变，将两铜片向水平方向分开，可以看到，万用表显示的电容量逐渐减小。通过以上显示，引入电容传感器的工作原理。『授课内容』2.1电容式传感器的原理与结构电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为：【课堂提问】由式可知，电容量C与A、d、ε三个参量有关。当改变A、d、ε三个参量中的任意一个量，都会引起电容C的变化。若保持其中任意两个参量不变，只改变另一个参量，那么该参量的变化就能转换为电容量的变化，那么电容式传感器能分成几种呢？分别是哪些类型？根据引起电容量变化的参量的不同，电容传感器可以分为三种类型：改变遮盖面积型电容传感器、变极距型电容传感器、变介电常数型电容传感器。2.1.1变遮盖面积型电容式传感器图（a）是直线位移式结构，极板A固定不动，称为定极板，极板B能够左右移动，称为动极板，与被测物相连。当被测物移动时会带动极板B发生位移，从而改变与定极板A的相互遮盖面积，使两极板间的电容量发生变化。图（b）是角位移式结构，当动极板围着转轴发生旋转时，两极板的遮盖面积会发生变化。2.1.2变极距型电容式传感器当动极板随着被测物体发生位移时，两极板之间的距离d就会发生变化，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。一般变极距型电容传感器的起始电容在20-30pF，极板间距在25-200um，最大位移通常小于极距的1/10。所以，在实际应用时，为了减小非线性，提高灵敏度，多采用差动式结构，见教材第14页图2-4。2.1.3变介电常数型电容式传感器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。变介电常数型电容式传感器可以用来测量位移、液位、物位等参数。表2-1中给出了几种介质的相对介电常数。见教材第15页图2-5所示，上下两极板保持相互遮盖面积和极距不变，相对介电常数为εr2的电介质插入电容器中的深度发生变化时，两种介质的极板覆盖面积也会发生变化，从而使电容器的电容量发生变化。被测介质εr2进入极板间的深度与引起电容量的变化成线性关系。2.2电容传感器的测量转换电路2.2.1调频电路调频电路是将电容传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，振荡器的频率受电容传感器电容的调制。当被测参数变化导致电容量发生变化时，LC振荡器的振荡频率就会发生变化，从而实现C/f转换。见教材第15页图2-6为振荡器调频电路原理图，振荡器输出频率的变化在鉴频器中转化电压幅度的变化，经过放大器放大、检波之后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。【课堂讨论】分析调频电路中各部分的功能。振荡器的振荡频率由下式决定：式中——振荡回路的固定电感——振荡回路总电容包括振荡回路的固有电容、传感器的引线分布电容以及传感器的电容，即2.2.2脉冲宽度调制电路图2-7所示为电容传感器的脉冲宽度调制电路。当双稳态触发器的端输出为高电平时，点通过对充电，点电位逐渐升高。在端为高电平期间，端为低电平，电容通过低内阻的二极管迅速放电，点电位被钳制在低电平。当点电位升高超过参考电压时，比较器产生一个“置零脉冲”，触发双稳态触发器翻转，点跳变为低电位，点跳变为高电位。此时经二极管迅速放电，点被钳制在低电平，而同时点高电位经向充电。当点电位超过时，比较器产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻转，点恢复为高电位，点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受电容、调制的脉冲波形，实现转换。对于差动脉冲宽度调制电路，不论是改变平板电容器的极距或是极板相互遮盖面积，其变化量与输出量都呈线性关系。2.2.3运算放大器式电路运算放大器具有放大倍数K非常大、输入阻抗很高的特点，因而可以作为电容传感器比较理想的测量电路，见教材第16页图2-8，为电容传感器。2.3电容式传感器的应用实例电容器的电容量受到三个因素的影响，即：极距、相互遮盖面积和极间介电常数，固定其中的两个变量，电容量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、面积或者介电常数的变化，就能通过测量电容量这个参数来达到非电量电测的目的。电容传感器的用途有很多，例如可以利用面积变化的原理，测量直线位移、角位移，构成电子千分尺；利用介电常数变化的原理，测量环境相对湿度、液位、物位；利用极距变化的原理，测量压力、振动等等。2.3.1电容料位计电容料位计原理图见教材第17页图2-9。1、被测物料为导电体图（a）所示，电容料位计以直径为d的不锈钢或紫铜棒做电极，外套聚四氟乙烯塑料绝缘套管。将其插在储液罐中，此时导电介质本身为外电极，内、外电极极距为聚四氟乙烯塑料绝缘套管的厚度，当料位发生变化时，内、外极板的相对面积发生变化，从而使电容量随之变化。被测物料为绝缘体图（b）所示，电容料位计可采用裸电极作为内电极，外套以开有液体流通孔的金属外电极，通过绝缘环装配。当被测液体的液面在两个电极间上下变化时，电极间介电常数不同的两种介质（上面部分为空气，下面部分为被测液体）的高度发生变化，从而使得电容器的电容量改变。被侧液位的高度正比于电容器电容量的变化。2.3.2电容式厚度传感器电容测厚仪工作原理如图2-10所示。2.3.3电容式差压传感器见教材第18页图2-11为一种小型差动式电容压力传感器。2.3.4电容式湿度传感器电容式湿度传感器有效利用了两个电极间的电容量