自動(dòng)檢測技術(shù)_電容式傳感器

1、上一頁下一頁返 回上一頁返 回下一頁dSdSCr0 S 極板相對(duì)覆蓋面積； 極板間距離； r相對(duì)介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)，； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 S上一頁返 回下一頁變極距變極距( (）型型: (a)、(e) 變面積型變面積型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: （i）(l) 上一頁返 回下一頁dsCr0014.) 111(13020000000000ddddddCddCdAddACddCddsCCCr輸出變化隨輸入變化呈非線性關(guān)系 若d/d103kv/mm)或塑料膜來改善電容器耐壓性能 差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度上一頁返

2、回下一頁baaabSC0aaCabbaaabC0baCaCkg0b kg減小 、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度上一頁返 回下一頁 CCC0011/ 1/將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得 CC 02311/CC0(/) 取值不能大，否則將降低靈敏度 mmm9.001.0)51101(上一頁返 回下一頁采用差動(dòng)形式差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量 CC21024差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作為電容式傳感器輸出量XCC1/() SCXc11 被測量與 成線性關(guān)系 無需滿足上一頁返 回下一頁4.2電容傳感器的等效電路LcCRsRpCLc簡化計(jì)算有效電容Ce:ce

3、LjCjCj11CLCCce21兩點(diǎn)注意：兩點(diǎn)注意：工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該先擇低于諧振頻率。電容式傳感器的有效電容除與位移有關(guān)外，還與角頻率有關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須與標(biāo)定的條件（）相同。4.3電容式傳感器的測量電路n電容傳感器的特點(diǎn)：電容量小，變化更?。≒F級(jí)）。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，不易實(shí)現(xiàn)。n變壓器電橋n調(diào)頻電路n運(yùn)算放大器式電路n二極管雙T形交流電橋n脈沖寬度調(diào)制電路ddUUddACddACCCCCCCCCUUCjZCjZZZZZUU2,21,120212121211202211211

4、20代入上式得則有器為變間隙式電容式傳感設(shè)電容量為差動(dòng)電容式傳感器的式中代入得高頻交流正弦波供電；電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋；輸出阻抗很高(一般達(dá)幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。 2調(diào)頻電路11LCf21特點(diǎn)：特點(diǎn)：n轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號(hào)，可遠(yuǎn)距離傳輸不受干擾。n具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01m級(jí)位移變化量。n但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，進(jìn)行補(bǔ)償。3、運(yùn)算放大器式電

5、路12運(yùn)算放大器要求：輸入阻抗高（避免泄漏）、放大倍數(shù)大（接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特點(diǎn)：特點(diǎn)：n解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題n要求Zi及放大倍數(shù)足夠大n為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容穩(wěn)定n由于Cx變化小，所以該電路實(shí)現(xiàn)起來困難由運(yùn)算放大器工作原理可知 SuCuSCuCCuCjCjuxxx / ) ()/(1)/(100特點(diǎn)：特點(diǎn)：n解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題n要求Zi及放大倍數(shù)足夠大n為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容穩(wěn)定由于Cx變化小，所以該電路實(shí)現(xiàn)起來困難 上一頁返 回下一頁4、二極管雙T形交流電

6、橋正負(fù)半周分析：正負(fù)半周分析：正半周：C1充電，電流順時(shí)針； C2放電，電流逆時(shí)針負(fù)半周： C2充電，電流逆時(shí)針； C1放電，電流順時(shí)針若C1 = C2，則電流抵消，若C1 C2，則RL有信號(hào)輸出LTLLoRdttItITRIU)()(1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi幾點(diǎn)說明：n該電路電源頻率Mhz級(jí)，電源電壓幾十伏，電源的穩(wěn)定性對(duì)輸出直接產(chǎn)生影響。n當(dāng)電容以PF級(jí)變化時(shí)，輸出以V級(jí)變化。脈沖寬度調(diào)制電路nC1充電，VF 。當(dāng)VF Vref時(shí)，D=0 Q=0，信號(hào)反轉(zhuǎn)，Q=1。C1經(jīng)D1放電。nC2充電，VG 。當(dāng)VG Vref時(shí)，D=0 Q=0，Q

7、=1，再次反轉(zhuǎn)。C2經(jīng)D2放電。n設(shè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平U1，低電平0B雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A1A2R1R2QQ-AFGDD-UrefD1D221211)(TTTTUuuuBAABrefUUUCRT11111lnrefUUUCRT11222lnC1C2uo1211212121UddddUCCCCuAB當(dāng)d1 =d0 -d, d2 = d0+d時(shí)，有10UdduAB上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁返 回上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁邊 緣 電 場均 勻 電 場33211、2 電極 3等位環(huán)邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型傳感器原理上非線性恰好相反，因此在一定

8、程度上起了補(bǔ)償作用，但傳感器靈敏度同時(shí)下降 上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁上一頁返 回上一頁返 回下一頁L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗上一頁返 回下一頁rC0CPRgL上一頁返 回下一頁CeRg上一頁返 回下一頁reCeLRCjLjCje11LCCCe21由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為

9、LCkdcCkceee21當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨變化而變化。 上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁)(212101CCCCLLCfi上一頁返 回下一頁當(dāng)被測信號(hào)為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，)(21010CCCLfi當(dāng)被測信號(hào)不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為 ffCCCCLfi001)(21具有較高的靈敏度，可測至0.01m級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng) 上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL電源為正半周D1短路D2開路，

10、電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE 其特點(diǎn)為：信號(hào)源、負(fù)載、傳感器電容和平衡電容有一個(gè)公共接地點(diǎn)。二極管V1的V2工作在伏安特性的線性段。輸出電壓較高電路的靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定?？梢杂米鲃?dòng)態(tài)測量。若二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成一階電路上一頁返 回下一頁UERRRULLEiC2C2U0RRLR供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50%的方波可直接得到電容C2的電流iC2如下: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112dd上一頁返 回下一頁iURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在R+(R

11、RL)/(R+RL)C2T/2時(shí)，電流iC2的平均值IC2可以寫成 故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流IC1為 ITRRRRU CCLLE1112 上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁電容式傳感器的應(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、相對(duì)面積積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，電容量量C 就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被就是另一個(gè)變量的一元

12、函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電就可以通過測量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的。測的目的。 a) a) 電橋電路電橋電路 電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。間的電容變大。 聚四氟乙烯外聚四氟乙烯外套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位液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)

13、別在于：它變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。為高電平的型號(hào)。液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。智能

14、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)定按鈕正常工作指示正常工作指示燈燈電源電源 指示燈指示燈超限燈超限燈設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕硅微加工加速度傳感器硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），量交變加速度（振動(dòng)），也可測量慣性力或重力加也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為速度。其工作電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測量，加速度測量范圍為數(shù)個(gè)范圍為數(shù)個(gè)g g，可輸出與，可輸出與加速度成正比的電壓也可加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度輸出占空比正比于加速度的的PWM 脈沖。脈沖。

15、硅微加工加速度傳感器硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動(dòng)），量交變加速度（振動(dòng)），也可測量慣性力或重力加也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為速度。其工作電壓為2.72.75.25V5.25V，加速度測量，加速度測量范圍為數(shù)個(gè)范圍為數(shù)個(gè)g g，可輸出與，可輸出與加速度成正比的電壓也可加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度輸出占空比正比于加速度的的PWM 脈沖。脈沖。Transitional Page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)

16、。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容容C C1 1、C C2 2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。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，所以相當(dāng)于懸臂梁。定在襯底上，所以相當(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)，C C1 1、C C2 2呈差動(dòng)變化。與加呈差動(dòng)變化。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將速度測試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將C C 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼

17、體內(nèi)，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。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的所以集成度很高。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)可達(dá)質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz1kHz以上，允許加速度范以上，允許加速度范圍可達(dá)圍可達(dá)10g 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)加速度傳感器，就可以測量三維方向的振動(dòng)或加速度。度傳感器，就可以測量三維方向的振動(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，可以作為碰撞傳加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感

18、器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)， 微微處理器處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰據(jù)此判斷發(fā)生了碰 撞，于是就啟動(dòng)轎車撞，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。駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感器的假人裝有傳感器的假人氣囊氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣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 。 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)作用電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電

19、容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在電容式接近開關(guān)在 液位物位測量控制中液位物位測量控制中的使用的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示示P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1 結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 上一頁返 回下一頁231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質(zhì)量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度 上一頁返 回下一頁a)測振幅b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動(dòng)電容式傳感器被測軸電容式傳感器 上一頁返 回下一頁電荷平衡式位移傳感器電荷平衡式位移傳感器 0RMMRCVCVRRMMCVCV可變電壓VM與測頭的位置成比例 已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應(yīng)用。上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁l長容柵長容柵l圓容柵圓容柵片狀片狀柱狀柱狀上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回abnCmaxn動(dòng)尺柵級(jí)片數(shù) a , b柵極片長度和寬度上一