教师授课方案.doc

教师授课方案教师授课方案（首页）授课班级09D 电气 1、电气 2授 课 日 期课节2课堂类型 讲授课题第五章 电容传感器第一节电容式传感器的工作原理及结构第二节电容式传感器的测量转换电路第三节电容式传感器的应用第四节压力与流量的测量教学目的与要求【知识目标】1、电容传感器的类型及工作原理掌握差动电容传感器的工作原理。2、了解电容传感器的灵敏度及输出特性 3、电容传感器的测量转换电路掌握调频式测量转换电路 4、电容传感器的应用掌握物料计的工作。【能力目标】培养学生工程理论分析及工程计算、理论联系实际的能力。【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。重点难点重点：1、差动电容传感器、调频式测量转换电路难点：流量的测量教具教学辅助活动教具：多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、简述电涡流传感器的原理 2、简述调频式、调幅式测量转换电路的转换原理 3、简述电涡流传感器的应用 4、电涡流接近开关的应用分钟讲课1、电容传感器的类型及工作原理掌握差动电容传感器的工作原理。2、电容传感器的灵敏度及输出特性3、电容传感器的测量转换电路掌握调频式测量转换电路4、电容传感器的应用掌握物料计的工作。78 分钟小结小结见教案内页利用 10 分钟时间与学生互动答疑10 分钟作业习题册第五章电容传感器习题2 分钟任课教师：叶睿 2011 年 1 月 25 日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】【复习提问】上节课知识点：1、简述电涡流传感器的原理2、简述调频式、调幅式测量转换电路的转换原理3、简述电涡流传感器的应用4、电涡流接近开关的应用第五章第五章电容式传感器电容式传感器第一节第一节电容式传感器的工作原理及结构形式电容式传感器的工作原理及结构形式【本节内容设计】【本节内容设计】通过课件与教师讲授电容式传感器的三种形式以及特性【授课内容授课内容】电容式传感器的原理电容式传感器的原理平板电容器的电容量为0rxAACdd 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；两极板间介质的介电常数；r两极板间介质的相对介电常数；0真空的介电常数，0=8.8510-12(F/m)。在 A、d、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、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。变面积式电容传感器的输出特性是线性的，多用于检测直线角位移、尺寸等参量。1、平板电容CbKX结论：增大极板长度，减小极板距离都可提高灵敏度变面积式电容传感器灵敏度 K 为常数；输出特性为线性；适合大位移测量。)1()ln()(2hxCrRxhCx)ln(2rRdxdCxK结论：内外圆筒的半径差越小，灵敏度越高。实际使用时，外圆筒必须接地，这样可以屏蔽外界干扰，并且能减小周围人体及金属体对内圆筒的分布电容，减小误差。)1()1(CdACdAddCK结论：增加动极板和定极板的对数，灵敏度越高。实际使用时，动极板接地，必须做一个接地的金属屏蔽盒，将定极板屏蔽。二、变极距式二、变极距式变极距式电容传感器结构如图。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。CxxCCxCxxCxSCx)1(CCCx2)(xSdxdCxK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）。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弹性膜片采用差动形式：1、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图 5-4差动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定极板三、变介电常数式三、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。利用这种原理制成的传感器叫做变介电常数式传感器。例如：1、当某种介质处于两极板间时，介质厚度越厚，电容量也就越大。2、当介质厚度保持不变、而相对介电常数r 改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（r 水1）时，电容量将变大。3、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。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。表 5-1 几种介质的相对介电常数介质名称相对介电常数r介质名称相对介电常数r真空1玻璃釉35空气略大于 1SiO238其他气体11.2云母58变压器油24干的纸24硅油23.5干的谷物35聚丙烯22.2环氧树脂310聚苯乙烯2.42.6高频陶瓷10160聚四氟乙烯2.0低频陶瓷、压电陶瓷100010000聚偏二氟乙烯35纯净的水80第二节第二节电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路【本节内容设计】【本节内容设计】通过课件与教师简介电容传感器的测量转换电路，掌握调频电路。【授课内容授课内容】电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压、频率的变化。一、桥式电路一、桥式电路桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。Cx 为电容传感器，当交流电桥平衡时，其平衡条件为：0oU当 Cx 变化时，0oU，即桥路有输出电压，上述指单臂桥接法。差动接法时，若 Cx1=Cx2，因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则0oU。若 CX1CX2，因两电容上叠加的交流电压值不等相位相反，则0oU，即桥路有输出电压。2202121UiCCUCCCCoUixxxx相位由相敏检波电路分辨二、调频式测量转换电路调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。其中 L 为固定电感，电容 C 包含谐振回路中的微调电容 C1，传感器电缆分布电容 Cc 以及变化电容 Cx第三节第三节电容传感器的应用电容传感器的应用一、电容测厚仪：测量过程：电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。带材是电容的动极板，总电容 Cx=C1+C2 作为桥臂。利 C1、C2 两个极板当带材上下波动时 Cx=C1+C2 总的电容量不变；而带材的厚度变化使电容 Cx变化。二、硅微加工加速度传感器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 10g 以上。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。四、电容式油、液位计测量过程、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。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321CCxCC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。电容式油量表1、当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx=Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使调零电位器RP的滑动臂位于 0 点，即RP的电阻值为 0。此时，电桥满足Cx/C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角=0。2、当油箱中注满油时，液位上升至 h 处，Cx=Cx0+Cx，而Cx与 h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压 Uo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动 RP的滑动臂移动，从而使 RP阻值增大，Rc d=R3+RP也随之增大。当 RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为处。1油箱2圆柱形电容器3伺服电动机4减速箱5油量表3、由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与 间存在着确定的对应关系，即正比于 RP的阻值，而 RP的阻值又正比于液位高度 h，因此可直接从刻度盘上读得液位高度 h。4、当油箱中的油位降低时，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，使 RP阻值减小。当 RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角处。5、从以上分析得到涉及“闭环控制”的结论：放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。五、电容接近开关五、电容接近开关1、结构、结构电容式接近开关的核心是以单个极板作为检测端的电容器，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内，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。2、工作原理、工作原理电容式接近开关的核心是以单个极板作为检测端的电容器，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内，并用介质损耗很小的环氧树脂充填、灌封。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。对金属物体而言，选用电涡流接近开关，也叫电感接近开关；测量绝缘物体时选用电容接近开关。3、应用、应用注意：在物位测量中的应用只有测量绝缘物体时应用注意：在物位测量中的应用只有测量绝缘物体时应用第四节第四节压力、液位和流量的测量压力、液位和流量的测量一、压力的基本概念一、压力的基本概念物理学中的“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=0.91.1MPa，p2=0.91.0MPa，就必须选择测量范围为-0.10.2MPa 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、电容式差压变送器举例二、电容式差压变送器举例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。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“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 420mA 的标准电流信号，通过信号电缆线输出到二次仪表。三、差压变送器应用举例：测量液体的液位三、差压变送器应用举例：测量液体的液位电容差压变送器的高压侧（p1）进气孔及低压侧（p2）进气孔通过管道与储液罐相连，就组成差压式液位计p1=p0+g(h-h0）p2=p0则：p=p1-p2=g(h-h0）四、节流式流量计四、节流式流量计流量的定义：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=Av，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，为流体的密度。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、差压节流式等两线制、420mA 仪表的负载电阻的计算：1、负载电阻越大，得到的输出电压就越高。2、负载电阻的上限受电源电压的限制。当电源电压为 24V、若变送器的最低工作电压为 10V、线路电阻为 100，可以通过厂方给出的经验公式求得最大负载电阻RLRL24V10V(20mA0.1k)/2012V/20mA600。3 当RL取 500、满量程输出电流为 20mA 时，最大取样电压Uo10V。【知识小结】【知识小结】:通过对以下知识点的学习通过对以下知识点的学习1、电容传感器的类型及工作原理掌握差动电容传感器的工作原理。2、了解电容传感器的灵敏度及输出特性3、电容传感器的测量转换电路掌握调频式测量转换电路4、电容传感器的应用掌握物料计的工作。为从事检测和测量工作做知识与技能的储备【教学后记】【教学后记】:通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习.板书设计板书设计:如下如下第五章第五章电容传感器电容传感器第一节第一节电容传感器的原理电容传感器的原理一、变面积二、变极距三、变介电常数第二节第二节测量转换电路测量转换电路一、电桥式二、调频式第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用一、电容测厚仪二、加速度三、湿敏电容【知识小结】