傳感器及檢測(cè)技術(shù)ppt課件

1、上節(jié)回顧上節(jié)回顧:本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容:1.電容傳感器電容傳感器1.電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器3.熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器4.熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器第第3 3章章 電容傳感器電容傳感器 本章學(xué)習(xí)電容傳感器的原理及應(yīng)本章學(xué)習(xí)電容傳感器的原理及應(yīng)用，還涉及壓力、液位及流量的測(cè)量用，還涉及壓力、液位及流量的測(cè)量方法。方法。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介n電容式傳感器是將被測(cè)非電量如尺寸、壓力等電容式傳感器是將被測(cè)非電量如尺寸、壓力等的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。 壓差變送器壓差變送器 接近開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān) 三軸加速度三軸加速度傳

2、感器傳感器 物位開(kāi)關(guān)物位開(kāi)關(guān) 第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)形式 上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？幾種類型的電容傳感器？ 0 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)形式 改變改變A、d、 三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量使平板電容的電容量C 改動(dòng)。改動(dòng)。 固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。

3、容傳感器。 0 rAACdd 電容傳感器的基本理想公式為電容傳感器的基本理想公式為變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器 平面形直線位移式平面形直線位移式 圓柱形直圓柱形直線位移式線位移式 角角位位移移式式 一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器 圖圖a a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1 1可以左右移動(dòng)，可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板稱為動(dòng)極板。極板2 2固定不動(dòng)，稱為定極板。圖固定不動(dòng)，稱為定極板。圖b b是同心圓筒形是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。圖線運(yùn)動(dòng)

4、。圖c c是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2 2的軸由被測(cè)物體帶的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移 度時(shí)，兩極板的遮蓋面積度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A A就減小，因就減小，因而電容量也隨之減小。而電容量也隨之減小。變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。移、角位移、尺寸等參量。 請(qǐng)畫(huà)出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！請(qǐng)畫(huà)出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線！二、變極距式

5、電容傳感器二、變極距式電容傳感器 當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。，從而使電容量發(fā)生變化。 實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特性曲線 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0d0小小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距些還是大些？當(dāng)變極距式

6、電容傳感器的初始極距d0d0較較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變小？小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變??？ a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 b電容量與極板距離的關(guān)系電容量與極板距離的關(guān)系1定極板定極板 2動(dòng)極板動(dòng)極板 三、變介電常數(shù)式三、變介電常數(shù)式 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。就不同。表表5-1 5-1 幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)變介電常數(shù)式電容傳感器的用途變介電常數(shù)式電容傳感器的用途 根據(jù)表根據(jù)表5-1，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器，分析

7、不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)量什么時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)量什么非電量？非電量？第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路- -電橋電橋 nCx為電容傳感器，沒(méi)為電容傳感器，沒(méi)有變化時(shí)，有變化時(shí)，n 輸出電壓輸出電壓U0=0。nCx變化時(shí)，變化時(shí)，U00，由此可測(cè)得電容的變由此可測(cè)得電容的變化值?；?。 321CCCCxw相鄰的兩臂接入相鄰的兩臂接入差動(dòng)式電容傳感差動(dòng)式電容傳感器?？蛰d時(shí)的輸器?？蛰d時(shí)的輸出電壓

8、為出電壓為 UCCU00第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 （調(diào)頻電路（調(diào)頻電路 ） 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC 振蕩器諧振振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx 發(fā)發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 式中哪些量是變量？式中哪些量是變量？01 5-22fL C調(diào)頻式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路調(diào)頻式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 n當(dāng)輸入量導(dǎo)致傳感器的電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器當(dāng)輸入量導(dǎo)致傳感器的電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率也相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感

9、器的振蕩頻率也相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻式。輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻式。n在實(shí)現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換后，再用鑒頻器把頻率在實(shí)現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換后，再用鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，經(jīng)放大后輸出，進(jìn)行顯的變化轉(zhuǎn)換為幅度的變化，經(jīng)放大后輸出，進(jìn)行顯示和紀(jì)錄示和紀(jì)錄 調(diào)頻調(diào)頻FM電路電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？ TTL高電平高電平3.6-5V ,低電平低電平0-2.4V運(yùn)算放大器式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路運(yùn)算放大器式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 n輸出電壓輸出電壓n如果傳感器為平板形如果傳感器為平板形n 電容器，那么電容器，那

10、么 n此電路能解決變極距型電容式傳感器的非線此電路能解決變極距型電容式傳感器的非線性問(wèn)題性問(wèn)題 ixoUCCUdACUUio第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對(duì)面積相對(duì)面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。固定其中兩個(gè)變。固定其中兩個(gè)變 量，電容量量，電容量C 就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量

11、電測(cè)的目的。來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。 電容式壓差傳感器電容式壓差傳感器 1-1-硅油硅油 2-2-隔離膜隔離膜 3-3-焊接焊接密封圈密封圈 4-4-測(cè)量膜片動(dòng)電測(cè)量膜片動(dòng)電極）極） 5-5-固定電極固定電極 構(gòu)造 外形 應(yīng)用測(cè)量液位 二、硅微加工加速度傳感器二、硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為加速度。其工作電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g g，可輸出，可輸出與加速度成

12、正比的電壓也可輸出占與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM PWM 脈沖。脈沖。微加工三軸加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：技術(shù)指標(biāo)： 靈敏度：靈敏度：500mV/g 500mV/g ， 量程：量程：10g10g， 頻率范圍：頻率范圍：0.5-2000Hz0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn)安裝諧振點(diǎn):8kHz :8kHz ， 分辨力：分辨力：0.00004g 0.00004g ， 分量：分量：200g 200g ， 安裝螺紋：安裝螺紋：M5 mm M5 mm ， 線性誤差：線性誤差：1% 1% 硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加

13、速度測(cè)試單元加速度測(cè)試單元 22信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 33襯底襯底 44底層多晶硅下電極）底層多晶硅下電極） 55多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 66頂層多晶硅上電極）頂層多晶硅上電極） 利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié) 構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所

14、以相當(dāng)于懸臂梁。相當(dāng)于懸臂梁。 當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將C 轉(zhuǎn)換成直流轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 以上。以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相

15、互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)， 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰 撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊汽車氣囊的保護(hù)作

16、用汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用3. 運(yùn)用運(yùn)用 -電容式測(cè)厚儀電容式測(cè)厚儀 n在被測(cè)帶材的上下兩在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各裝設(shè)一塊面積相側(cè)各裝設(shè)一塊面積相等且與帶材距離相等等且與帶材距離相等的極板，這樣兩極板的極板，這樣兩極板與帶材之間形成兩個(gè)與帶材之間形成兩個(gè)電容電容C1C1、C2C2。 1-帶材 2-軋輥 3-工作電極 w帶材在軋制過(guò)程中若發(fā)生厚度變化，將引起電帶材在軋制過(guò)程中若發(fā)生厚度變化，將引起電容的變化，再調(diào)頻測(cè)量電路

17、將電容的變化檢測(cè)容的變化，再調(diào)頻測(cè)量電路將電容的變化檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，即可由顯示面板顯示出來(lái)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，即可由顯示面板顯示出帶材厚度的變化。出帶材厚度的變化。 一、電容式液位計(jì)一、電容式液位計(jì) 棒狀電極金屬管外棒狀電極金屬管外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是

18、給出開(kāi)關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定開(kāi)關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。的型號(hào)。液位限位傳感器液位限位傳感器的設(shè)定的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單：定方法十分簡(jiǎn)單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開(kāi)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈超限燈正常工作正常工作指示燈指示燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕電源電源 指示燈指示燈四、電容式油量表四、電容式油量表 機(jī)械式油量表：機(jī)械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過(guò)杠里的浮球，通過(guò)杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流盤電位器，由電流表指示出油量。表指示出油量。電容式油量表電容式油量表 當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆