6.參量傳感器之電容式(超聲波)（行業(yè)特制）

1、第6章 電容式傳感器、超聲波傳感器及液位的檢測1凌云書屋2凌云書屋3凌云書屋電容式傳感器電容傳感器液位計P32 電容式傳感器通過電容傳感元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。4凌云書屋 一、工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容傳感器的理想公式為 d 極板間距離； A 極板面積；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； r 相對介電常數(shù)電容式傳感器0真空的介電常數(shù)。5凌云書屋 改變d、A、 三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C 改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。 電容傳感器聲波測量動畫演示6凌云書屋7凌云書屋1變極距式電容傳感器變極距式電容傳

2、感器原理動畫演示設(shè)和A不變，初始狀極距為d0時，電容器容量為C0。若動極板有位移，使極板間距離減小x，則電容則增大到 cx。8凌云書屋變極距式電容傳感器結(jié)構(gòu)及特性曲線 結(jié)構(gòu)示意圖1定極板 2動極板 電容量與極板距離的關(guān)系電容與位移不是線性關(guān)系。為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實際應用時常采用差動式結(jié)構(gòu)。9凌云書屋2變面積式電容式傳感器10凌云書屋 圖a是平板直線位移式變面積型傳感器，極板尺寸如圖所示，動極板做直線運動，改變了兩極板的相對面積，引起了電容量的變化。當動極板隨被測物體產(chǎn)生位移x后。此時的電容量為 11凌云書屋 圖b是同心圓桶式變面積型傳感器，外圓桶不動，內(nèi)圓桶在外圓桶內(nèi)做上、

3、下直線運動。設(shè)內(nèi)、外圓桶的半徑分別為r、R，內(nèi)、外圓桶原來的重疊長度為h。當內(nèi)桶向下產(chǎn)生位移后x，兩個同心圓桶的重疊面積減小，引起了電容量隨之減小。此時的電容量為12凌云書屋 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直線位移、角位移、尺寸等參量。 xa)/1()/1(00pqpqee-=-=CdSCdSCx 圖C為角位移式變面積型傳感器，動極板可圍繞定極板旋轉(zhuǎn)形成角位移。設(shè)兩極板初始重疊角度為 ，動極板隨被測物體帶動產(chǎn)生一個角位移 ，兩個極板的重疊面積減小，因而電容量隨之減小。此時的電容量為 13凌云書屋3變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演

4、示14凌云書屋 由于各種介質(zhì)的介電常數(shù)的不同，如果在電容器的極板之間插入不同的介質(zhì)，電容器的電容量就會變化。常被用來測量液體的液位和材料的厚度。還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、改變而改變來測量溫度、濕度等。右圖為電容液位計原理圖。當被測絕緣液體的液面在兩個同心圓金屬管狀電極間上下變化時，引起兩極間不同介質(zhì)的高度發(fā)生變化，從而導致總電容量改變。 15凌云書屋 經(jīng)推導可知變介電常數(shù)式電容傳感器其電容與位移或液體高度成線性關(guān)系，可由以下表達式表示：其中A、B均為與結(jié)構(gòu)和介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)16凌云書屋例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50

5、cm，高為1.2m。被儲存液體的r 2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)。解：17凌云書屋三種電容式傳感器比較表類型變間隙變面積變介電常數(shù)應用場合線位移角位移或較大線位移物位、濕度、密度是否線性非線性關(guān)系。靈敏度也不是常數(shù)。線性關(guān)系 線性關(guān)系 18凌云書屋1變壓器電橋電路二、測量轉(zhuǎn)換電路19凌云書屋 缺點：由于電路輸出為交流電，應進行相敏檢波 后，才能辨別位移方向。 對于變間隙式差分電容傳感器經(jīng)分析推導可得： 優(yōu)點：把變間隙式電容傳感器的位移與電容的非線 性關(guān)系 轉(zhuǎn)化為位移與輸出電壓的線性關(guān)系。可得：20凌云書屋2調(diào)頻電路21凌云書屋圖為一種差動脈沖寬度

6、調(diào)制電路。圖中C1和C2為傳感器的兩個差動電容。線路由兩個電壓比較器A1和A2，一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和兩個充放電回路R1C1和R2C2(R1=R2)所組成；Uref為參考直流電壓；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端電平由兩比較器控制。當接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平， 端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過R1對C1充電；當F點電位UF升到與參考電壓Uref相等時，比較器A1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平， 端為高電平。此時，由電容C1通過二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由B端經(jīng)R2向C2充電；當G點電位UG與參考電壓Uref相等時，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過程?？梢钥闯?，電路充放

7、電的時間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當C1=C2時，Q和 兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當C1C2時，Q、兩端間的平均電壓(經(jīng)一低通濾波器)為3脈沖寬度調(diào)制電路22凌云書屋tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖U023凌云書屋脈沖調(diào)寬電路具有以下五方面的特點：消除了非線性；不需要相敏檢波即能獲得較大的直流輸出；電路只采用直流電源，不需要頻率發(fā)生器；頻率對輸出無影響；對輸出矩形波純度要求不高。公式與變壓器

8、電橋形式相同，但變壓器電橋輸出的是交流電，而脈沖調(diào)寬電路輸出的是直流電。24凌云書屋1壓力測量電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖三、電容式傳感器的應用 25凌云書屋高壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器外形圖26凌云書屋電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 1高壓側(cè)進氣口 2低壓側(cè)進氣口 3過濾片 4空腔 5柔性不銹鋼波紋 隔離膜片 6導壓硅油 7 凹形玻璃圓片 8鍍金凹形電極 9彈性平膜片 10 腔27凌云書屋各種電容式差壓變送器外形圖 28凌云書屋利用電容差壓變送器測量液體的液位 差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比： p = g h29凌云書屋投入式電容水位計外形圖

9、30凌云書屋家用電器壓力檢測示意圖31凌云書屋2加速度測量電容傳感器加速度測量動畫演示32凌云書屋電容式加速度傳感器1絕緣體 2固體電極 3質(zhì)量塊（動電極） 4彈簧片33凌云書屋硅微加工加速度傳感器原理 1加速度測試單元 2信號處理電路 3襯底 4底層多晶硅（下 電極） 5多晶硅懸臂梁 6頂層多晶硅（上 電極）34凌云書屋硅微加工電容加速度傳感器35凌云書屋微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標： 靈敏度：500mV/g 量程：10g 頻率范圍：0.5-2000Hz 安裝諧振點:8kHz 分辨力：0.00004g 重量：200g 安裝螺紋：M5 mm 線性誤差：1% 36凌云書屋加速度傳感器在汽車中的

10、應用 裝有傳感器的假人氣囊37凌云書屋汽車氣囊的保護作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 38凌云書屋利用加速度傳感器實現(xiàn)延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置39凌云書屋3轉(zhuǎn)速測量電容傳感器轉(zhuǎn)速測量動畫演示40凌云書屋 電容料位測量示意圖1極棒 2容器壁 4料位和液位測量AM90系列電容物位儀 41凌云書屋聚四氟乙烯外套液位計設(shè)定按鈕42凌云書屋電容式油量表原理圖 43凌云書屋5電容式接近開關(guān) 被檢測物體可以是導電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。 調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來

11、改變動作距離。 44凌云書屋電容式接近開關(guān)外形圖齊平式非齊平式45凌云書屋M18M30 40 mm40 mm x 40 mm工作距離5 mm10 mm20 mm20 mm工作電壓10-65 V DC10-65 V DC，20-250 V AC10-65 V DC，20-250 V AC10-65 V DC，20-250 V AC導線數(shù)量3 線制2、4 線制2、4 線制2、4 線制輸出pnppnppnppnp常開觸點常開、常閉觸點，常開和常閉接點，常開或常閉接點常開和常閉接點，常開或常閉接點常開和常閉接點，常開或常閉接點安裝嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式連接電纜電纜接線端子格接線端子格接線端子格SIM

12、ATIC PXC200 電容式接近開關(guān)使用一覽表46凌云書屋 電容式接近開關(guān) SIMATIC PXC是非接觸型傳感器，適用于具有各種形狀和表面的導電和非導電金屬，可測量傳導和非傳導性物料，如固體、粉末或液體等。奶盒中的牛奶檢測47凌云書屋電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用48凌云書屋 電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖所示。平時檢測電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個組成部分。當被檢測電極接近檢測電極時，由于檢測電極加有電壓，檢測電極就會受到靜電感應而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測物體越靠近檢測電極

13、，檢測電極上的電荷就越多，由于檢測電極的靜電電容為C=Q/V，所以電荷的增多，使檢測電極電容C隨之增大，進而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號后向外輸出。電容式接近傳感器檢測的被測物體是金屬導體，非金屬導體不能用該方法測量。49凌云書屋圖是電容式接近傳感器的電路圖。C1與L1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，L2和VT形成共基接法，C4是反饋電容，C5是耦合電容，R3與C3形成去藕電路。R1和R2是偏置電阻，它們與C2形成選頻網(wǎng)絡(luò)。電位器用于調(diào)節(jié)接近距離。VD1與VD2構(gòu)成檢波電路。C6是檢波電容，C0是接近物與金屬棒形成的電容。若被測物接近金屬棒，C

14、0變大，與C4并聯(lián)后使反饋電容增加，從而減弱振蕩，經(jīng)VD1，VD2檢波后，輸出的電壓為低電平。否則，振蕩器正常振蕩，輸出高電平。 電容式接近傳感器電路圖50凌云書屋電容指紋識別動畫演示6其它測量51凌云書屋電容角位移測量動畫演示52凌云書屋電容傳感器地應力測量動畫演示53凌云書屋電容地應力傳感器安裝動畫演示54凌云書屋三星SPHV6800手機采用電容傳感器控制某些功能，取代了部分機械按鍵55凌云書屋56凌云書屋超聲波傳感器超聲波傳感器57凌云書屋P53一、超聲波的傳輸特性1.什么是超聲波？人耳能夠聽到的機械波，頻率在16 Hz20 kHz之間，稱為聲波。人耳聽不到的機械波， 頻率高于20 kH

15、z的稱為超聲波；超聲波的頻率越高，就越接近光學的反射、折射等特性。 頻率低于16 Hz的稱為次聲波。58凌云書屋2超聲波的波形 由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向的不同，超聲波的波形也不同。通?？煞譃槿缦聨追N：1）縱波： 質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體中傳播；2）橫波： 質(zhì)點振動方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體中傳播；3）表面波： 質(zhì)點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波。表面波的軌跡是橢圓形，質(zhì)點位移的長軸垂直于傳播方向，質(zhì)點位移的短軸平行于傳播方向。由于表面波隨深度增加而衰減很快，因此只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

16、59凌云書屋3.超聲波的特點（1） 傳播速度：超聲波的傳播速度與波長及頻率成正比， 即聲速為 C=f 式中，為超聲波的波長； f為超聲波的頻率。 （2） 超聲波的衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于聲波的擴散、散射及吸收，能量按指數(shù)規(guī)律衰減。如平面波傳播時的衰減公式可寫作Ix= I0e-2x。其中，I0為聲源處的聲強; Ix為距聲源x處的聲強; 為衰減系數(shù)（單位為110-3dB/mm），水和一般低衰減材料的的取值為14。 60凌云書屋（3） 超聲波的反射與折射： 當超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時， 在兩種介質(zhì)的分界面上，會發(fā)生反射與折射。同樣遵循反射定律和折射定律：入射角與反射角、折射角的正弦

17、比等于入射波速與反射波速、折射波速之比。 1）反射定律 入射角的正弦與反射角的正弦之比等于入射波與反射波的速度之比。當反射波與入射波同處于一種介質(zhì)中時，因波速相同，則反射角等于入射角。61凌云書屋（4） 超聲波的波形轉(zhuǎn)換： 若選擇適當?shù)娜肷浣牵?使縱波全反射， 那么在折射中只有橫波出現(xiàn)； 如果橫波也全反射， 那么在工件表面上只有表面波存在。 2）折射定律 當波在界面上產(chǎn)生折射時，入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波在第一種介質(zhì)中的波速C1與在第二種介質(zhì)中的波速C2之比，即： 壓電式超聲波傳感器常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高

18、頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可用為接收探頭。62凌云書屋二、空氣中傳播的超聲波傳感器及其基本電路1.遙控用超聲波傳感器超聲波遙控電路采用專用的在空氣中傳播的超聲發(fā)射器（用符號T表示）與接收器(用符號R表示)成對配套使用。它所發(fā)射的超聲波采用固定的中心頻率，諧振頻率f0一般為40kHz。這種傳感器有一種單峰特性，即在中心頻率f0處靈敏度最高，輸出信號幅度最大，接收器的接收靈敏度最高， 而在中心頻率兩側(cè)則迅速衰減。由于超聲波接收器具有很好的選頻特性， 因此在組成電路系統(tǒng)時，不必另設(shè)選頻網(wǎng)絡(luò)。由于發(fā)射器需要發(fā)射出強度較高的超聲波信號，所以它

19、的靈敏度大于100 dB。接收器應能良好地接收超聲波信號，因此它的靈敏度大于60 dB。 63凌云書屋2.超聲波發(fā)射電路P55圖是由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓通過耦合電容CP供給超聲波振子MA40S2S。CC4049的H1和H2產(chǎn)生與超聲波頻率相對應的高頻電壓信號， H3H6進行功率放大，再經(jīng)過耦合電容CP傳給超聲波振子MA40S2S。 數(shù)字式超聲波振蕩電路 64凌云書屋采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路 圖是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實例。電路中用NPN晶體管V放大頻率可調(diào)振蕩器OSC的輸出信號，放大的信號經(jīng)脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。 超聲波傳感器MA40S2S產(chǎn)生40 kHz能量的超聲波。 65凌云書屋3.超聲波接收電路由于超聲波傳感器接收到的信號極其微弱，因此，一般要接幾十dB以上的高增益放大器。一般用于檢測反射波，它遠離超聲波發(fā)生源，能量衰減較大，只能接收到幾mV左右的微弱信號。因此，實際應用時要加多級放大器。 如圖所示，采用NPN晶體管V進行放大構(gòu)成超聲波接收電路，