传感器及检测技术3(3).ppt

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1、上节回顾上节回顾:本节主要内容本节主要内容:1.电容传感器电容传感器1.电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.固态压阻式传感器固态压阻式传感器3.热电阻式传感器热电阻式传感器4.热敏电阻传感器热敏电阻传感器12/19/20221第第3 3章章 电容传感器电容传感器 本章学习本章学习电容电容传感器的原理及应传感器的原理及应用，还涉及压力、液位及流量的测量用，还涉及压力、液位及流量的测量方法。方法。12/19/20222简介简介n电容式传感器是将被测非电量（如尺寸、压力等）电容式传感器是将被测非电量（如尺寸、压力等）的变化转换为电容量变化的一种传感器。的变化转换为电容量变化的一种传感器。压差变送器压

2、差变送器 接近开关接近开关 三轴加速度三轴加速度传感器传感器 物位开关物位开关 12/19/20223第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？几种类型的电容传感器？电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为12/19/20224第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式改变改变A A、d d、三个参量中的任意一个量，均可使三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量平板电容的电容量C C 改变。改变。固定三个参量中的

3、两个，可以做成三种类型的电固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。容传感器。电容传感器的基本理想公式为电容传感器的基本理想公式为12/19/20225变面积型电容传感器变面积型电容传感器 平面形直线位移式平面形直线位移式 圆柱形直圆柱形直线位移式线位移式 角角位位移移式式 12/19/20226一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 图图a是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图固定不动，称为定极板。图b b是同心圆筒形是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒

4、在外圆筒内作上、下直变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图线运动。图c c是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板2 2的轴由被测物体带的轴由被测物体带动而旋转一个角位移动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因就减小，因而电容量也随之减小。而电容量也随之减小。12/19/20227变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线性的，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。移、角位

5、移、尺寸等参量。请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！12/19/20228二、变极距式电容传感器二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，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改变了两极板之间的距离d d，从而使电容量从而使电容量发生变化。发生变化。实实际际使使用用时时，总总是是使使初初始始极极距距d0尽尽量量小小些些，以以提提高高灵灵敏敏度度，但但这这也也带带来来了了变变极极距式电容器的行程较小的缺点。距式电容器的行程较小的缺点。12/19/20229变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中

6、可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较较小时，它的测量范围变大还是变小？小时，它的测量范围变大还是变小？a）结构示意图结构示意图b）电容量与极板距离的关系电容量与极板距离的关系1定极板定极板2动极板动极板12/19/202210三、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，电容器的电容量也容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。就不同。表表5-

7、1 5-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数12/19/202211变介电常数式电容传感器的用途变介电常数式电容传感器的用途 根据根据表表5-15-1，分析，分析不同介质对变介电常数电容器不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？非电量？12/19/202212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12/19/202213测量转换电路测量转换电路-电桥电桥 nCx为电容传感器，没为电容传感器

8、，没有变化时，有变化时，输出电压输出电压U U0 0=0=0。nC Cx x变化时，变化时，U U0 000，由由此可测得电容的变化此可测得电容的变化值。值。相邻的两臂接入相邻的两臂接入差动式电容传感差动式电容传感器。空载时的输器。空载时的输出电压为出电压为 12/19/20221412/19/20221512/19/20221612/19/20221712/19/202218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 （调频电路调频电路 ）调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为LC LC 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容回路的一

9、部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发发生变化，就使振荡器的频率生变化，就使振荡器的频率f 产生相应的变化。产生相应的变化。式中哪些量是变量？式中哪些量是变量？12/19/202219调频式测量转换电路调频式测量转换电路 n当输入量导致传感器的当输入量导致传感器的电容量电容量发生变化时，振荡器发生变化时，振荡器的振荡的振荡频率也频率也相应地相应地变化变化，即振荡器频率受传感器，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频式。输出电容的调制，故称调频式。n在实现了电容到频率的转换后，在实现了电容到频率的转换后，再用鉴频器再用鉴频器把频率把频率的变化的变化转换转换为幅度的变化，为幅度的变化，经放大

10、后经放大后输出，进行输出，进行显显示和纪录示和纪录 12/19/202220调频（调频（FM）电路电路TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？TTL高电平高电平3.6-5V,低电平低电平0-2.4V12/19/202221运算放大器式测量转换电路运算放大器式测量转换电路 n输出电压输出电压n如果传感器为平板形如果传感器为平板形 电容器，则电容器，则 n此此电电路路能能解解决决变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器的的非非线线性问题性问题 12/19/20222212/19/20222312/19/202224第三节第三节 电容式传感器的应用电

11、容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变量，量，电容量电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办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或者面积、介电常数法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。到非电量电测的目的。12/19/20222512/19/202226电容式压差传感器电容式压差传感器 1-1-硅油硅油 2-2-隔离膜隔离膜 3

12、-3-焊接焊接密封圈密封圈 4-4-测量膜片（动电测量膜片（动电极）极）5-5-固定电极固定电极 结构 外形 应用测量液位 12/19/20222712/19/202228二、硅微加工加速度传感器二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作惯性力或重力加速度。其工作电压为电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测加速度测量范围为数个量范围为数个g g，可输出与加可输出与加速度成正比的电压也可输出占速度成正比的电压也可输出占空比正比于加

13、速度的空比正比于加速度的PWM脉脉冲。冲。12/19/202229微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g，量程：量程：10g，频率范围：频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点安装谐振点:8kHz，分辨力：分辨力：0.00004g，重量：重量：200g，安装螺纹：安装螺纹：M5mm，线性误差：线性误差：1%1%12/19/202230硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极）5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂

14、梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）12/19/202231利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2

15、呈差动变化。与加速度测呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输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，所以频率响应可达达1kHz1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 10g 以上以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。器，

16、就可以测量三维方向的振动或加速度。12/19/202232加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，得的负加速度值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的假器的假人人气囊气囊12/19/202233汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用使用加

17、速度传感器可以在汽车发生碰撞使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气时，经控制系统使气囊迅速充气。12/19/202234汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用12/19/2022353.应用应用-电容式测厚仪电容式测厚仪 n在被测带材的上下两在被测带材的上下两侧各装设一块面积相侧各装设一块面积相等且与带材距离相等等且与带材距离相等的极板，这样两极板的极板，这样两极板与带材之间形成两个与带材之间形成两个电容电容C1、C2。1-带材 2-轧辊 3-工作电极 带材在轧制过程中若发生带材在轧制过程中若发生厚度变化厚度变化，将引起，将引起电电容容的的变化变化，再，再

18、调频测量电路调频测量电路将电容的变化将电容的变化检测检测出来，经过出来，经过单片机处理单片机处理，即可由显示面板显示即可由显示面板显示出带材厚度的变化。出带材厚度的变化。12/19/20223612/19/20223712/19/202238一、电容式液位计一、电容式液位计棒状电极（金属管）外棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间起棒状电极与导电液体之间的电容变大。的电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套12/19/202239电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限

19、位传感器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。12/19/202240液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单：用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点

20、后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮12/19/202241智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源指示灯指示灯12/19/202242四、电容式油量表四、电容式油量表 机械式油量表：机械式油量表：在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。12/19/202243电容式油量表电容式油量表当当油油箱箱中中注注满满油油时时，液液位位上上升升，指指针针停停

21、留留在在转转角角为为 m处处。当当油油箱箱中中的的油油位位降降低低时时，电电容容传传感感器器的的电电容容量量Cx减减小小，电电桥桥失失去去平平衡衡，伺伺服服电电动动机机反反转转，指指针针逆逆时时针针偏偏转转（示示值值减减小小），同同时时带带动动RP的的滑滑动动臂臂移移动动。当当RP阻阻值值达达到到一一定定值值时时，电电桥桥又又达达到到新新的的平平衡衡状状态态，伺伺服服电电动动机机停停转转，指指针针停停留留在在新新的的位位置置（x 处）。处）。该油量该油量表属于开环表属于开环系统还是闭系统还是闭环系统？环系统？12/19/202244 电容式接近开关在物位测量控制电容式接近开关在物位测量控制中的

22、使用演示中的使用演示12/19/202245不同材料的非金属检测物对电容式接不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响近开关动作距离的影响12/19/202246电容式湿度传感器电容式湿度传感器n以铝棒和能渗透水的黄金膜为以铝棒和能渗透水的黄金膜为极板，极板间充以氧化铝微孔极板，极板间充以氧化铝微孔介质。介质。n多孔氧化铝可以从含有水分的多孔氧化铝可以从含有水分的气体中吸收水蒸气或从含水液气体中吸收水蒸气或从含水液体介质中吸收水分，体介质中吸收水分，吸水以后，吸水以后，极板间的介电常数极板间的介电常数发生变化，发生变化，电容量随之改变电容量随之改变。1-电极引线电极引线 2-铝棒铝棒 3-多孔氧化铝多孔氧化铝 4-黄金膜黄金膜12/19/202247电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器 笔记本指笔记本指纹识别纹识别 汽汽车车防盗防盗指指纹识别纹识别 指指纹识纹识别别手机手机 12/19/202248本章本章作业作业习题习题P45第第2题、题、8题，题，4、5、6题（选做）题（选做）12/19/202249休息一下休息一下12/19/202250