機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)第五章

1、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)第五章第1頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第五章電容式傳感器內(nèi)容提示：5.1 電容式傳感器的工作原理5.2 電容式傳感器的特點(diǎn) 5.3 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路5.4 電容式傳感器的典型應(yīng)用第2頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1 電容式傳感器的工作原理平板電容器的電容量為式中 A兩極板相互遮蓋的有效面積； d兩極板間的距離，也稱為極距； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； r兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 0真空的介電常數(shù)，0=8.8510-12 (F/m)。 e A d 第3頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期

2、四5.1 電容式傳感器的工作原理 在A、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量C改變。也就是說，電容量C是A、d、的函數(shù)，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：變極距式、變面積式、變介電常數(shù)式。 第4頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.1 變極距式 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d，從而使電容量發(fā)生變化。 第5頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.1 變極距式 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？ 實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極

3、距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。第6頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.1 變極距式變極距式電容傳感器的特點(diǎn)為： 初始極距小非線性行程較?。▋蓧K極板短路） 一般變極距式電容傳感器起始電容量設(shè)置在20pF至100pF、初始極距d0設(shè)置在1001000m范圍內(nèi)、最大位移應(yīng)小于兩極板間距的1/101/4，故多在微位移測(cè)量中使用。第7頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.2 變面積式第8頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.2 變面積式 設(shè)動(dòng)極板相對(duì)定極板沿長(zhǎng)度l0方向平移l時(shí)，則電容為: 第9頁，共70頁，2022年，

4、5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.2 變面積式初始電容為：電容的相對(duì)變化量為:靈敏度為： 第10頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.2 變面積式 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)直線位移、角位移、尺寸等參量。第11頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.3 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。第12頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.3 變介電常數(shù)式 兩平行極板固定不動(dòng)，極距為0，相對(duì)介電常數(shù)

5、為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。 傳感器的總電容量C為兩個(gè)電容C1和C2的并聯(lián)結(jié)果。 第13頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.3 變介電常數(shù)式式中：l0、b0極板長(zhǎng)度和寬度； l第二種電介質(zhì)進(jìn)入極間的長(zhǎng)度第14頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.3 變介電常數(shù)式 若電介質(zhì)l為空氣(r11)，當(dāng)l0時(shí)傳感器的初始電容： 當(dāng)介質(zhì)2進(jìn)入極間l后引起電容的相對(duì)變化為: 可見，電容的變化與電介質(zhì)2的移動(dòng)量l成線型關(guān)系。上述原理可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測(cè)量。第15頁，共70頁，2022年，5月20日，21

6、點(diǎn)22分，星期四5.1.4 差動(dòng)式 當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為0，可知其初始電容量C0為:第16頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.4 差動(dòng)式 當(dāng)動(dòng)極端板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使0減小0時(shí)，電容量增大C，則有: 電容相對(duì)變化量為:第17頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.4 差動(dòng)式 如果滿足條件(0/0)1，上式可按級(jí)數(shù)展開成: 略去高次(非線性)項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系： 靈敏度S為： 第18頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.4 差動(dòng)式如果考慮線性項(xiàng)及二次項(xiàng)，則: 相對(duì)非線性誤差ef 為： 可見

7、，0的減小會(huì)導(dǎo)致非線性誤差增大；0過小還可能引起電容器擊穿或短路。第19頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.4 差動(dòng)式 設(shè)兩種介質(zhì)的相對(duì)介電質(zhì)常數(shù)為r1 、r1(對(duì)于空氣：r11)，相應(yīng)的介質(zhì)厚度為1、2，則有:210ACdde+=第20頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.4 差動(dòng)式 動(dòng)極板置于兩定極板之間。初始位置時(shí)，120，兩邊初始電容相等。 當(dāng)動(dòng)極板向上有位移時(shí)，兩邊極距為10-，20+；兩組電容一增一減。 可得電容總的相對(duì)變化量為： 第21頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.1.4 差動(dòng)式略去高次項(xiàng)，

8、可得近似的線性關(guān)系：相對(duì)非線性誤差ef為： 差動(dòng)式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。第22頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.2 電容式傳感器的特點(diǎn) 電容式傳感器以各種類型的電容器作為傳感器元件，通過它將被測(cè)物理量的轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓，電流或頻率信號(hào)。 電容傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：可獲得較大的相對(duì)變化量電容傳感器的相對(duì)變化量可達(dá)到100%或更大能在惡劣環(huán)境條件下工作電容傳感器可在高溫、低溫和強(qiáng)輻射等環(huán)境下工作，其原因在于這種傳感器通常不一定需要使用有機(jī)材料或磁性材料，而這些材

9、料是不能用于上述惡劣環(huán)境中的第23頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.2 電容式傳感器的特點(diǎn)電容器工作所需的激勵(lì)源功率小電容傳感器采用真空、空氣或其他氣體作為絕緣介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)損失非常小，自身發(fā)熱問題可不予以考慮，激勵(lì)源提供的電流也較小動(dòng)態(tài)響應(yīng)快由于電容式傳感器具有較小的可動(dòng)質(zhì)量，動(dòng)片的諧振頻率較高，可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量第24頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 橋式電路 緊耦合電橋電路 差分脈沖調(diào)寬電路 調(diào)頻電路 運(yùn)算放大電路第25頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 差分脈沖調(diào)寬電路第26頁，共

10、70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 差分脈沖調(diào)寬電路 當(dāng)該電路用于差動(dòng)式變極距型電容傳感器時(shí)有： 用于差動(dòng)式變面積型電容傳感器時(shí)有： 第27頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3 電容式傳感器的應(yīng)用 電容式壓力（壓差）傳感器 電容式加速度傳感器 電容式物位傳感器 電容式位移傳感器 電容式濕度傳感器5.3.6 電容式指紋識(shí)別傳感器第28頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四1高壓側(cè)進(jìn)氣口2低壓側(cè)進(jìn)氣口 3過濾片 4空腔5柔性不銹鋼波紋膜片6導(dǎo)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 電容式壓力（壓差）傳感器第2

11、9頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式壓力（壓差）傳感器第30頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式壓力（壓差）傳感器第31頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式壓力（壓差）傳感器投入式水位計(jì)第32頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 1加速度測(cè)試單元 2信號(hào)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） 電容式加速度傳感器第33頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式加速度傳感器第34頁，共70頁，2022年，5月20日，21

12、點(diǎn)22分，星期四 電容式加速度傳感器第35頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式物位傳感器第36頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式位移傳感器第37頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式位移傳感器第38頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式位移傳感器變極距型的適用于較小位移的測(cè)量，量程在0.01m至數(shù)十毫米、精度可達(dá)0.002 m 、分辨率可達(dá)0.001nm。變面積型的能測(cè)量較大的位移，量程為零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫米之間、線性優(yōu)于0.2%、分辨率為0.010.001 m 。電容式角度和

13、角位移傳感器的動(dòng)態(tài)范圍為0.1至幾十度，分辨率約0.1，零位穩(wěn)定性可達(dá)角秒級(jí)，廣泛用于精密測(cè)角，如用于高精度陀螺和擺式加速度計(jì)。電容式測(cè)振幅傳感器可測(cè)峰值為050m、頻率為1020kHz，靈敏度高于0.01m ，非線性誤差小于0.05m。第39頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電容式濕度傳感器 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。 第40頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四 電

14、容式濕度傳感器第41頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.6 電容式指紋識(shí)別傳感器第42頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.6 電容式指紋識(shí)別傳感器一般半導(dǎo)體金屬陣列上能集成大約100,000個(gè)電容傳感器，其外面是絕緣的表面。當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，皮膚組成了電容陣列的另一面。它們的電容值隨著脊（近的）和谷（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。第43頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器環(huán)氧樹脂的電路基板第44頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳

15、感器第45頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器第46頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器第47頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器第48頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器厚度25mm第49頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器第50頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器第51頁，共70頁，2022年，5月20日，

16、21點(diǎn)22分，星期四第52頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第53頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第54頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第55頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第56頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第57頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第58頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第59頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第60頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第61頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第62頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四第63頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸傳感器第64頁，共70頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期四5.3.7 電容觸摸