1.4电容式传感器

2020/1/301传感器检测任务提出任务目标相关知识任务分析任务实施任务四电容式传感器项目一力和压力检测任务评价一任务提出电容式荷重传感器二任务目标1、了解电容式传感器的应用2、掌握电容式传感器的工作原理3、掌握电容式传感器的分类4、掌握压力测量的方法1、知识目标二任务目标1、掌握用仿真软件完成电容式传感器力的测量2、掌握用THSRZ-2型传感器系统综合实验装置完成电容式传感器力的测量。2、能力目标二任务目标1、具有提出问题、分析问题的能力2、能够意识到安全生产的重要性3、能够与他人沟通，具有团结协作的意识3、素质目标一、电容式传感器概述以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容式传感器变间隙型变面积型变介质型电容式传感器的测量原理（1）面积变化型(b)角位移式（a）为平板形位移电容传感器。设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。电容的相对变化量和灵敏度为0()xaxbabxbCCCddd---0CxCaCbKxd变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。差动结构形式提高测量精度，减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。中间极板移动变面积式电容传感器原理b)角位移式电容传感器可见，电容值与角位移呈线性关系。增大传感器的初始面积或减小极板间距d有利于增大传感器的灵敏度K。此时，传感器的灵敏度k为：当动板有一转角时，由于覆盖面积变化，电容量改变。0000(1)(1)CSSCCCdd00CSCKdc）园柱型电容传感器下图是圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化x两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：02ln()xCDd当覆盖长度变化时，02ln()CkxDd常数通过A）B）C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即具有良好的线性。大多数用来检测较大直线位移及角位移等参数。变面积式电容传感器也采用差动形式，可使输出和灵敏度提高一倍。（2）极距变化型变极距型传感器常常是一块极板固定而使另一块极板移动，从而改变极距以引起电容的变化。++++++因此电容器传感器的灵敏度为：灵敏度与极距的平方值成反比，极距越小时灵敏度越高。为减小非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。dACd0SCdd0200CCSKddd変极距型电容传感器原理上的非线性，要修正。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。为减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范围为0.1002CC002022CACk＝变极距式电容传感器dAC0结论极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高（可达nm级），适应于较小位移（1nm～1m）的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂。（3）介质变化型当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度、液面高度等，也可用来测量空气的湿度等。这种传感器的电容量等于两个电容相并联L0,b0——极板长度和宽度;12001200[()]rrbCCCLLLd若电介质εr1=1，则：00000,0CLbdL当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为：200001rCCCLCCL故电容量的变化与被测电介质的移动量L成线性关系。当燃油增大，h增大，△C也增大；燃油减少，h减少，△C也减小。通过测量电容的大小就能知道油量的多少。B)电容液面计这类传感器常常采用同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。CCrrrrHrrhrrhHCCCxx012121211222122121)/ln((2)/ln(2)/ln(2)/ln(2））（电容式液位测量装置Dd检测电路测定电极储罐ε0ε1h测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。1．交流电桥2．调频电路3．运算放大式电路4．脉冲宽度调制电路5．二极管双T型交流电桥电容式传感器的测量电路（一）交流电桥Z1为电容传感器阻抗，当Z1Z4＝Z2Z3，则USC=0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化ΔZ，其输出为：112312412212()()(1)(1)()()(1)SCZZZZUEZZZZZZZZEZZ111ZCdZCd＝（二）调频电路测量电路的灵敏度很高，可测0.01m的位移变化量，抗干扰能力强（加入混频器后更强），缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压U0与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。（三）运算放大器电路从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性。该电路要求固定电容必须稳定，信号源电压必须采取稳压措施0C则Cx=εA/d,dAcUUi0（四）脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。振荡电路感应电极被测物体电容式接近开关电容式传感器的应用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示该图是利用电容式接近开关测量谷物高度（物位）的示意图。当谷物高度达到电容式接近开关的底部时，电容式接近开关产生报警信号，关闭输送管道的阀门.转速测量当电容极板与齿顶相对时电容量最大，而电容极板与齿隙相对时电容最小。当齿轮旋转时，电容量发生周期性变化，通过转换电路即可得到周期信号。频率计显示的频率代表转速的大小。电容测厚仪可以用来测量金属带材在轧制过程中的厚度。电容测厚仪电容式加速度传感器弹簧片定极板2质量块定极板1绝缘体aC1C2m汽车气囊的保护作用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。汽车气囊对驾驶员的保护作用35电容式压力传感器36高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式传感器测量位移四任务分析五任务实施1.按图将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。2．将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。3．接入±15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。（Rw确定后不能改动）4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化。电子称测量1、将差动电容传感器安装在振动源的传感器支架上，传感器引出线接入电容传感器模块2、打开实验台电源，将直流电源接入传感器模块，在双平衡梁处于自由状态时，调节安装电容传感器支架的高度，使电容传感器动极板大致在中间位置。调节电位器Rw使系统输出电压为零，输出接电压表2V档。3、逐个将砝码放到振动平台上，为避免电磁铁的影响，应尽量使砝码靠经振动平台的边缘，且下一个砝码加在前一个砝码的上面。4、记录称重量与输出电压值。五任务实施六任务评价考核内容自评组长评价教师评价说明：达到标准划√，未达到标准划X。作业完成按时完成作业作业工整内容正确任务完成过程仿真软件安装与接线任务结果正确工作态度不迟到、不早退学习积极性高具有安全操作意识评价等级（优、良、可、劣）项目最终评价：自评占15%,组评占40%,教师评价占45%。2020/1/3041