機(jī)械工程測試技術(shù)電子課件-第五章 信號(hào)的 獲取與調(diào)理

電容式傳感器的工作原理及類型電容式傳感器是將被測量(如位移量、尺寸、壓力、厚度、物位、溫度、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量等)的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的--種傳感器。1、工作原理電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一種有可變參數(shù)的電容器。中間充滿介質(zhì)的兩塊平行金屬極板構(gòu)成的電容器，其電容量為：S

d此式?jīng)]有考慮邊緣效應(yīng)5.2.2.1電容式傳感器信號(hào)獲取原理理想平板電容器的電場線是直線的，但實(shí)際情況下，在靠近邊緣地方的會(huì)變彎，越靠邊就越彎得厲害。到邊緣時(shí)彎的最厲害，這種彎曲的現(xiàn)象叫做邊緣效應(yīng)。

S

d式中，

：極板間介質(zhì)介電常數(shù)；

d：極板間距；

S：極板有效面積。式中，

：介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣

1；

0：真空的介電常數(shù)，

0=8.85

10-12F/m；

d：極板間距；

S：極板面積。注意：上述式子還有另外一種的表達(dá)形式：由電容式傳感器的工作原理表達(dá)式可以知道，ε、S、d的改變均使電容器的電容值發(fā)生變化。因此可以保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，只改變其中的某一個(gè)參數(shù)制造各種的電容式傳感器。d變——ε、S不變，稱為變極距型〔或變間隙型〕；S變——ε、d不變，稱為變面積型；ε變——d、S不變，稱為變介電常數(shù)型〔或介質(zhì)變化型〕極距變化型它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。下面分別講解這三種類型的電容式傳感器。2、類型一、變極距型電容式傳感器

d——CS

d定板動(dòng)板定板d定板動(dòng)板d傳感器的靈敏度靈敏度不是一個(gè)常數(shù)，說明輸入輸出間為非線性關(guān)系，C——d關(guān)系為：可見，靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受極板間擊穿電壓的限制。此外，為了減小因靈敏度隨極距變化導(dǎo)致的非線性誤差，通常極距變化范圍d/d00.1。因此，此類電容傳感器僅適于較小位移的測量〔0.01m~幾個(gè)mm〕。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度、改善非線性及克服些外界條件〔如某電源電壓、環(huán)境溫度等〕的變化對(duì)測量精度的干擾，常采用差動(dòng)(分)式〔如以下圖〕。此時(shí)靈敏度提高一倍，非線性誤差減小。d2ddd1Dd定板動(dòng)板定板定板定板動(dòng)板二、變面積型電容式傳感器

S——C傳感器的靈敏度靈敏度是一個(gè)常數(shù)，說明輸入輸出間為線性關(guān)系。常見的四種結(jié)構(gòu)形式：平面線位移型角位移型圓柱體線位移型差動(dòng)式圓柱體線位移型動(dòng)板動(dòng)板動(dòng)板動(dòng)板定板定板定板定板定板三、變介電常數(shù)型電容式傳感器

e——C這種傳感器可用來測量兩平行極板間介質(zhì)的厚度、位移、液位、液量，除此之外還可以測溫度、濕度、容量等。變介電常數(shù)型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖測厚測位移測液位液量測溫度濕度流量以C測液面高度為例前述公式：對(duì)照著應(yīng)用：r1r2hxh內(nèi)外極板間要加絕緣層！同軸電極間的介質(zhì)發(fā)生變化3.電容式傳感器的應(yīng)用〔1〕．電容式接近開關(guān)

齊平式非齊平式電容式接近開關(guān)外形非齊平式接近開關(guān)的安裝非齊平式安裝時(shí)，傳感器高于安裝支架，易損壞。電容式接近開關(guān)在液位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示圖示為電容開關(guān)在工程中的一個(gè)應(yīng)用。要求對(duì)某個(gè)工件進(jìn)行加工，工件用夾具固定在移開工作臺(tái)上，工作臺(tái)由一個(gè)主電機(jī)拖動(dòng)，作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)用兩個(gè)電容開關(guān)來決定工作臺(tái)何時(shí)換向。當(dāng)“A〞號(hào)傳感器有輸出信號(hào)時(shí)，使主電機(jī)停止反轉(zhuǎn)，同時(shí)，接通其正轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺(tái)向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)“B〞號(hào)傳感器有輸出信號(hào)時(shí)，使主電機(jī)停止正轉(zhuǎn)，同時(shí)，接通其反轉(zhuǎn)電路，從而使工作臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的行程限位。〔2〕.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h處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)〔示值減小〕，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值到達(dá)一定值時(shí)，電橋又到達(dá)新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置〔x處〕。電容式液位計(jì)棒狀電極〔金屬管〕外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。聚四氟乙烯外套金屬管〔電極板〕導(dǎo)電液體〔電極板〕（3）.電容式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)齒數(shù)為Z，由計(jì)數(shù)器得到的頻率為f，則轉(zhuǎn)速n（r/min）為:（4）.電容式位移傳感器電容式位移傳感器在測振幅和測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺的應(yīng)用。

（5）.濕敏電容

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。濕敏電容外形吸水高分子薄膜濕敏電容模塊及傳感器外形多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形

（6）.容柵式傳感器容柵傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳感器。它的電極不止一對(duì)，電極排列呈梳狀，故稱為容柵傳感器。同組中有多個(gè)電極或多個(gè)電極并聯(lián)，極大地提高了靈敏度。容柵傳感器可實(shí)現(xiàn)直線位移和角位移的測量，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，容柵傳感器可分為長容柵、片狀圓容柵、柱狀圓容柵三類。

1.直線形容柵傳感器（長容柵）長容柵結(jié)構(gòu)原理圖

式中，n——?jiǎng)映邧艠O片數(shù)；a，b——柵極片長度和寬度。容柵傳感器的最小電容量理論上為零，實(shí)際上為固定電容C0，為容柵固有電容。當(dāng)動(dòng)尺沿x方向平行于定尺不斷移動(dòng)時(shí)，每對(duì)電容的相對(duì)遮蓋長度a將由大到小，由小到大地周期性變化，電容量值也隨之相應(yīng)周期變化，如圖所示，經(jīng)電路處理后，則可測得線位移值。2.圓形容柵傳感器（片狀圓容柵）最大電容為：式中r1，r2

——圓盤上柵極片內(nèi)半徑和外半徑；α——每條柵極片對(duì)應(yīng)的圓心角。3.筒形容柵傳感器〔柱狀圓容柵〕筒形容柵傳感器由兩個(gè)套在一起的同軸圓筒組成，電極鍍?cè)趫A筒上，可實(shí)現(xiàn)長度的測量。柱狀圓容柵的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖。隨著微機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)的迅猛發(fā)展，各種基于MEMS技術(shù)的傳感器也應(yīng)運(yùn)而生，由于國防和尖端技術(shù)需要，微加速度傳感器近年來發(fā)展迅速。在各種微加速度傳感器中，微電容式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)特性好、抗過載能力強(qiáng)，體積小、重量輕、易于與測試、控制電路集成、有利于大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，其研究和應(yīng)用受到越來越廣泛的關(guān)注。硅微加工加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元；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〕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)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式平安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。裝有傳感器的假人氣