2022年教案项目电容式传感器.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案3.2 电容式传感器 3.2.1 电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,假如不考虑 边缘效应,其电容量为当被测参数变化使得CS dC也随之变化；S、d 或 发生变化时,电容量假如保持其中两个参数不变,而仅转变其中一个参数,就可把该参 数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出；电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种；1变间隙型电容传感器Adr变间隙式电容式传感器当传感器的 r 和 S为常数,初始极距为d0 时,初始电容量C0 为如电容器极板间距离由初始值0 r

2、SC 0d 0d0 缩小了 d,电容量增大了 CCC0Cd0rS1C01d0dd在式中,如 d/ d01 时,就展成级数：d3d 0CC 01dd2C0d0d0d0d0此时 C与 d 近似呈线性关系, 所以变极距型电容式传感器只有在 d/ d0很小时,才有近似的线性关系；另外,在 d0 较小时,对于同样的 d 变化所引起的 C可以增大,名师归纳总结 从而使传感器灵敏度提高；但 d0 过小, 简洁引起电容器击穿或短路；为第 1 页,共 15 页此,极板间可采纳高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质, 如图所示,此时电容C变为：CdgSd 00g0- - - - - - -精选学习资料 - -

3、- - - - - - - 名师精编 精品教案式中： g云母的相对介电常数, g=7； 0空气的介电常数, 0=1；d0空气隙厚度；dg云母片的厚度；g dg0 d0放置云母片的电容器云母片的相对介电常数是空气的 7 倍,其击穿电压不小于 1000 kV/mm,而空气仅为 3 kV/mm；因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小；一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF 之间, 极板间距离在25200 m 的范畴内；最大位移应小于间距的1/10 , 故在微位移测量中应用最广；2被测量通过动极板移动引起两极板有效掩盖面积 S 转变,从而得到 电容量的变化；当动极板相对于定极板沿长度

4、方向平移 x 时,就电容 变化量为CCC00rdx bbxSad式中 C0= 0 r ba/ d 为初始电容；电容相对变化量为CxC 0a这种形式的传感器其电容量C与水平位移 x 呈线性关系直线位移型电容传感器原理图 3此时变换器电容值为：H名师归纳总结 h1第 2 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案电容式液位变换器结构原理图C21 h21Hh2H2h 1C 02h 11 nD1 nD d1 nD1 nD1 nDddd, 即d式中：C0由变换器的基本尺寸打算的初始电容值C 02H1 nDd可见：此变换器的电容增量正比于

5、被测液位高度h；3.2.2 电容式传感器的测量电路1运算放大器由于运算放大器的放大倍数特别大,而且输入阻抗Zi 很高 , 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较抱负的测量电路；如图所示；由运算放大器工作原理可得：UoCUi可见运算放大器Cx假如传感器是一只平板电容,就Cx= S/ d,代入,可得UoUiCdS式中“ ”号表示输出电压Uo 的相位与电源电压反相；的输出电压与极板间距离d 成线性关系；运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线名师归纳总结 性问题, 留意 条件 ：要求 Zi 及放大倍数足够大；为保证仪器精度,仍要第 3 页,共 15 页求电源电压Ui 的幅值

6、和固定电容C值稳固；IcxC xIcbCiIUi.AUo- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案运算放大器式电路原理图2二极管双 T 沟通电桥e 是高频电源,它供应了幅值为 U的对称方波, VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管,固定电阻 电容；R1=R2=R,C1、C2 为传感器的两个差动V D2ABR 2V D1R 1eC 1C 2R LaU.C 1R 1RLR 2C 2.C 1.R 1R LcR 2.C2UI1I21II2b二极管双 T 沟通电桥当传感器没有输入时,C1=C2；电路工作原理：当 e 为正半周时,二极管 VD1导通、

7、VD2截止,于是电容 C1 充电,其等效电路如图（b）所示；在随后负半周显现时,电容 C1上的电荷通过电阻 R1,负载电阻 RL 放电,流过 RL 的电流为 I 1；当 e 为负半周时, VD2导通、 VD1截止,就电容 C2 充电,其等效电路如图（ c）所示；在随后显现正半周时,C2 通过电阻 R2,负载电阻RL 放电,流过 RL 的电流为 I 2 ；电流 I 1=I 2,且方向相反,在一个周期内流过RL 的平均电流为零；如传感器输入不为 0,就 C1 C2, I 1 I 2, 此时在一个周期内通过RL 上的平均电流不为零,平均值为式中 , f 为电源频率；当 RL 已知,式中UoILR L

8、0I1tI2tdtR L名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编精品教案M常数R R2R LR LRR L2就上式可改写为U o UfM C 1 C 2 可知,输出电压 Uo 不仅与电源电压幅值和频率有关,而且与 T 形网络中的电容 C1 和 C2 的差值有关；当电源电压确定后,输出电压 Uo 是电容C1 和 C2 的函数；电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关,故输入电源要求稳固；3调频电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分 , 当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化；可将频率作为输出量用

9、以判定被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此必需加入鉴频器,将频率的变化转换为电压振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来；3.2.3 电容式传感器的应用1电容式压力传感器2电容式加速度传感器名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案、名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案应用实例：电容式接近开关的设计 测量头构成电容器的一个极板,另一个极板是物体本身,当物体移向接近开关时, 物体和接

10、近开关的介电常数发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化 .由此便可掌握 开关的接通和关断 ;接近开关的检测物体,并不限于金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体；1、原理框图2、电路图名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案3、留意事项1）C4093 为 CMOS 集成电路,很简洁被电烙铁所带的静电击穿,所以在制作时,最好先焊一个集成电路插座,待电路经检查无误后再把 CD4093 插入插座；2）电容 C4 是灵敏度调剂电容,如需要该电路以最大灵敏度工作时,可以先调剂 C4 使继电器刚好吸合,再

11、调剂 C4 使继电器刚好断开,然后用高频蜡或绝缘漆把 C4 封牢即可；电容式接近开关掌握水龙头开与关的系统1 引言随着我国经济的快速进展,现代城市人口的增加、城市范畴的扩大,能源紧急问题越来越突出了；特殊是名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案水资源,它与工农业生产以及人民的生活息息相关,由于一些地区以前无方案性地乱的开采,显现了缺水 的现象；如何有效地治理和节省用水是当务之急；本 文利用电容式接近开关和其它器件设计了一种掌握水 龙头开与关的系统；本系统具有掌握灵敏、使用便利、工作寿命长的特点；2 电

12、容式接近开关介绍电容式接近开关属于一种具有开关量输出的位置 传感 器,它的测量头通常构成电容器的一个极板,而另一 个极板是物体的本身,当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介电常数 发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化,由此便可掌握开关的 接通和关断；被这种接近开关的检测物体,并不限于 金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体 ,在检测较 低介电常数 的物体时,可以顺时针调剂多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度,一般调剂电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn （Sn 为电容式接名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - -

13、- - - - - 名师精编 精品教案近开关的标准检测距离）的位置动作；这里选用的是浙江省洞头县光电开关厂生产的CLG 型 M18 70 标准结构的开关；它的外型图与尺寸标示图分别如图 1 与图 2 所示；图 1 CLG 型 M18 70 电容式接近开关外型图图 2CLG 型 M18 70 标准结构开关外部尺寸图操作参数如表 1 所示；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案部分常用材料介电常数如表 2 所示；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - -

14、- - - - - - 名师精编 精品教案3 系统组成及设计过程系统组成框图如图3 所示,从框图可以看出掌握信号的流程：当人或其它物体接近电容式接近开关时,等 效电容的容量值会发生变化, 从而转变 LC 振荡器的振 荡频率,F/V 电路将 LC 振荡器输出的频率量转化成电 压量后,交给信号处理电路,该部分将电压信号进行 一系列的处理（包括：放大、整形等）后传给开关量变换电路,开关量转换电路实际上是A/D 转换器,它将模拟电压转换为数字量,水龙头掌握电路由开关量名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案转

15、换电路的输出量掌握,它产生掌握信号掌握水龙头的开与关； 本系统设计成当人接近水龙头肯定距离时,水龙头自动开启,离开肯定距离后水龙头自动关闭；图 3 掌握系统组成框图31 部分关键电路介绍振荡电路与 号处理部分F/V 变换电路及信连线图如图 4 所示,由 555 定时器组成的振荡器,它 的振荡频率为： f=1/069*（R1+2*R2 ）*（C/CT ）,C 就是电容式接近开关的等效电容值,CT 为频率调剂电容,通过 C 的变化从而使振荡频率变化,将此种变 化传给 F/V 电路,引起 F/V 电路的输出电压变化；由 锁相环 CD4046 组成的 F/V 变换电路将频率值变成电压值后,经精密运放O

16、P-07 线性放大后输入到开关量转换器（ A/D 转换器）的输入端；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案图 4 振荡电路与 F/V 部分及信号处理电路连线图A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号后,输入到水 龙头掌握电路的输入端,由水龙水掌握电路掌握水龙 头的开与关,这些电路简洁,这里限于篇幅,不作介 绍；32 系统安装要求安装要求示意图如图5 所示,图中 S1 表示检测面与支架的间距,要求 1Sn,S2 表示检测面与背景的间距,要求 3Sn,S3 表示并列安装间距,要求 5Sn,S4 表示检测面

17、与侧壁的间距,要求 接近开关的标准检测距离）3Sn；（Sn 为电容式名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师精编 精品教案图 5 系统安装尺寸图4 结 束 语由于本系统可利用电容式接近开关的感应灵敏度可以 调剂的特点,所以可以便利地选人掌握水龙头开与关 的距离；它的有用性、可操作性很强；由于选用的都 是优质器件, 它的性能价格比高, 并且具有通用性 （只 要转变被掌握对象,再作必要的设置,就能变为其它 的功能电路）；它己被做成了产品,正在批量生产；从目前使用的情形看,成效良好,性能稳固；当然,由于开发时间仓促,系统设计仍有不少需要完善的地名师归纳总结 方；不管怎样,它被推广使用的价值很高；第 15 页,共 15 页- - - - - - -