机械工程测试技术PPT电子课件-第五章 信号的 获取与调理05.2.2.1.ppt

电容式传感器的工作原理及类型,电容式传感器是将被测量(如位移量、尺寸、压力、厚度、物位、温度、湿度、振动、转速、流量等)的变化转换成电容量变化的-种传感器。,1、工作原理 电容式传感器实质是一种有可变参数的电容器。中间充满介质的两块平行金属极板构成的电容器，其电容量为：,此式没有考虑边缘效应,5.2.2.1 电容式传感器信号获取原理,理想平板电容器的电场线是直线的，但实际情况下，在靠近边缘地方的会变弯，越靠边就越弯得厉害。到边缘时弯的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。,式中，：极板间介质介电常数； d：极板间距； s：极板有效面积。,式中，：介质相对真空的介电常数，空气 1； 0：真空的介电常数，0=8.8510-12f/m； d：极板间距； s：极板面积。,注意：上述式子还有另外一种的表达形式：,由电容式传感器的工作原理表达式可以知道，、s、d 的改变均使电容器的电容值发生变化。因此可以保持其中的两个参数不变，只改变其中的某一个参数制造各种的电容式传感器。 d变、s不变，称为变极距型（或变间隙型）； s 变、 d不变，称为变面积型； 变d、s不变，称为变介电常数型（或介质变化型）,极距变化型,它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。 下面分别讲解这三种类型的电容式传感器。,2、类型,一、变极距型电容式传感器 dc,定板,动板,传感器的灵敏度,灵敏度不是一个常数，说明输入输出间为非线性关系，cd关系为：,可见，灵敏度与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受极板间击穿电压的限制。此外，为了减小因灵敏度随极距变化导致的非线性误差，通常极距变化范围d/d00.1。因此，此类电容传感器仅适于较小位移的测量（0.01m几个mm）。,实际应用中，为了提高灵敏度、改善非线性及克服些外界条件（如某电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的干扰，常采用差动(分)式（如下图）。此时灵敏度提高一倍，非线性误差减小。,二、变面积型电容式传感器 sc,传感器的灵敏度,灵敏度是一个常数，说明输入输出间为线性关系。,常见的四种结构形式：,平面线位移型,角位移型,圆柱体线位移型,差动式圆柱 体线位移型,三、变介电常数型电容式传感器 ec,这种传感器可用来测量两平行极板间介质的厚度、位移、液位、液量，除此之外还可以测温度、湿度、容量等。,变介电常数型电容传感器结构原理图,测厚,测位移,测液位液量,测温度湿度流量,以c测液面高度为例,前述公式：,对照着应用：,内外极板间要加绝缘层！,同轴电极间的介质发生变化,3.电容式传感器的应用,（1）电容式接近开关,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移动工作台上，工作台由一个主电机拖动，作来回往复运动，刀具作旋转运动。现用两个电容开关来决定工作台何时换向。当“a”号传感器有输出信号时，使主电机停止反转，同时，接通其正转电路，从而使工作台向右运动；当“b” 号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，接通其反转电路，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。,（2）.电容式油量表,当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为h处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动rp的滑动臂移动。当rp阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x 处）。,电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。,聚四氟 乙烯外套,金属管 （电极板）,导电液体（电极板）,湿敏电容模块及传感器外形,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,式中，n 动尺栅极片数； a，b栅极片长度和宽度。,容栅传感器的最小电容量理论上为零，实际上为固定电容c0，为容栅固有电容。当动尺沿x方向平行于定尺不断移动时，每对电容的相对遮盖长度a将由大到小，由小到大地周期性变化，电容量值也随之相应周期变化，如图所示，经电路处理后，则可测得线位移值。,2.圆形容栅传感器（片状圆容栅）,3.筒形容栅传感器（柱状圆容栅）,筒形容栅传感器由两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀在圆筒上，可实现长度的测量。柱状圆容栅的结构原理图如图所示。,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25v，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的pwm 脉冲。,微加工三轴加速度传感器,技术指标： 灵敏度：500mv/g ， 量程：10g， 频率范围：0.5-2000hz，安装谐振点:8khz ， 分辨力：0.00004g ， 重量：200g ， 安装螺纹：m5 mm ， 线性误差：1%,硅微加工加速度传感器原理,1加速度测试单元； 2信号处理电路； 3衬底 ； 4底层多晶硅（下电极）； 5多晶硅悬臂梁； 6顶层多晶硅（上电极）,利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容c1、c2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，c1、c2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将c 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1khz以上，允许加速度范围可达10g 以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,美研制了高性能的fmu-152b联