传感器学习教案

1、会计学1传感器传感器第一页，共100页。0rAACdd （3-1）式中，A为两平行板覆盖的面积(min j)； 为电容极板间介质的介电常数； 0为真空介电常数（0=8.8541012 F/m）; r为极板间介质的相对介电常数；d为两平行板间的距离。 第1页/共99页第二页，共100页。当被测参数变化使得式（当被测参数变化使得式（3-1）中的中的A、 d或或发生变化时，发生变化时， 电容电容量量C也随之变化。也随之变化。 如果保持其中如果保持其中两个参数不变，两个参数不变， 而仅改变其中一而仅改变其中一个参数，个参数， 就可把该参数的变化转就可把该参数的变化转换为电容量的变化，换为电容量的变化，

2、 通过测量电通过测量电路就可转换为电量输出。路就可转换为电量输出。 因此因此距型，距型， 而图而图(i)(l)则为变介电常则为变介电常数型。数型。第2页/共99页第三页，共100页。第3页/共99页第四页，共100页。00dAC（3-2）电容(dinrng)C和极距d的关系如图3-3所示。 第4页/共99页第五页，共100页。第5页/共99页第六页，共100页。第6页/共99页第七页，共100页。dddCddddAdAddAC000000（3-3）电容(dinrng)的相对变化量为00001dddddddCC（3-4） 第7页/共99页第八页，共100页。30200001ddddddddCC（

3、3-5）忽略(hl)式（3-5）中的高次项， 得00ddCC（3-）第8页/共99页第九页，共100页。由式（由式（3-4）可知，）可知，电容的相对变化量电容的相对变化量CC0与输入位移与输入位移d之间的之间的且一般且一般d只能在极小的只能在极小的范围内变化。范围内变化。 此时，此时， 电电容式传感器的灵敏度为容式传感器的灵敏度为0200CCAkddd（3-7）第9页/共99页第十页，共100页。%1000dd（3-8） 由上式可见， d0越小， 灵敏度越高， 非线性误差越大； 但是当d0过小时(xiosh)， 容易引起电容击穿。 为此， 极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质

4、， 如图 3-4 所示。第10页/共99页第十一页，共100页。第11页/共99页第十二页，共100页。此时实际上相当于此时实际上相当于云母和空气介质两个电云母和空气介质两个电容器的串联容器的串联(chunlin)（dg为云母的厚度）。为云母的厚度）。云母片的相对介电常数云母片的相对介电常数（）是空气）是空气的的7倍，倍，的起始电容在的起始电容在20100 pF之间，之间， 极板间距离在极板间距离在25200 m的范围内，的范围内，最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量故在微位移测量中应用最广。中应用最广。第12页/共99页第十三页，共100页。dxbC（3-9）第

5、13页/共99页第十四页，共100页。由式（由式（3-9）可知，）可知，电容的变化量和位移的电容的变化量和位移的就发生改变，就发生改变， 从而改变从而改变了两极板了两极板(j bn)间的电间的电容量。容量。第14页/共99页第十五页，共100页。第15页/共99页第十六页，共100页。2012ACrdd当0时， 则221rdC （3-10）从式（3-10）可以(ky)看出， 传感器的电容量C与角位移成线性关系。 第16页/共99页第十七页，共100页。表3-1 典型介质(jizh)的相对介电常数第17页/共99页第十八页，共100页。图图3-6是一种是一种(y zhn)变极板间介质的变极板间介

6、质的器的并联。器的并联。 此时变换器此时变换器电容值为电容值为012lnHhCDd（3-11）第18页/共99页第十九页，共100页。0 122lnhCDd （3-12）21CCC（3-13）由式（3-11）式（3-13）得01021lnhCCCDd（3-14）第19页/共99页第二十页，共100页。第20页/共99页第二十一页，共100页。第21页/共99页第二十二页，共100页。第22页/共99页第二十三页，共100页。00111ddCC（3-15）00211ddCC（3-16）第23页/共99页第二十四页，共100页。30200011ddddddCC（3-17） 30200021dddd

7、ddCC（3-18）第24页/共99页第二十五页，共100页。50300021222ddddddCCCC（3-19）电容(dinrng)值的相对变化量为002ddCC（3-20）第25页/共99页第二十六页，共100页。020022CCAkddd（3-21）非线性误差(wch)： %10020dd（3-22）由式(3-21)和式(3-22)可知(k zh)， 差动式传感器的灵敏度提高了1倍， 非线性误差也减小了。第26页/共99页第二十七页，共100页。第27页/共99页第二十八页，共100页。第28页/共99页第二十九页，共100页。2. 寄生电容寄生电容电容式传感器除了电容式传感器除了极板

8、间的电容外，极板间的电容外， 极板极板还可能与周围物体（包还可能与周围物体（包括仪器中的各种元件甚括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容至人体）之间产生电容不稳定。不稳定。 为了克服上述为了克服上述寄生电容的影响，寄生电容的影响， 必须必须对传感器进行静电屏蔽，对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板即将电容器极板放置在金属壳体内，放置在金属壳体内， 并并将壳体良好接地。将壳体良好接地。第29页/共99页第三十页，共100页。出于同样原因，出于同样原因， 其其电极电极(dinj)引出线也必引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地，外套须同样良好接地，的有效方法是采用驱

9、动的有效方法是采用驱动电缆技术，电缆技术， 也称双层屏也称双层屏蔽等电位传输技术，蔽等电位传输技术， 如如图图3-9所示。所示。第30页/共99页第三十一页，共100页。第31页/共99页第三十二页，共100页。3. 温度误差温度误差在环境温度发生变在环境温度发生变化化(binhu)时，时， 与电容与电容有关的机械参量有关的机械参量A和和d以以及介电常数及介电常数都会随温度都会随温度变化变化(binhu)， 造成温造成温例如电极的支架选用陶例如电极的支架选用陶瓷材料要比塑料或有机瓷材料要比塑料或有机玻璃好；玻璃好； 电极材料以选电极材料以选用铁镍合金为好；用铁镍合金为好； 近年近年来采用在陶瓷

10、或石来采用在陶瓷或石英上喷镀一层金属薄膜英上喷镀一层金属薄膜来代替电极，来代替电极， 效果更好。效果更好。第32页/共99页第三十三页，共100页。第33页/共99页第三十四页，共100页。 00000121 2 oiiiCCCUUUCCCCCCUC（3-23）由上式可知， 当供桥电压Ui为稳定电源提供， 初始(ch sh)电容C0为常数时， 电桥输出电压仅仅是传感器输出电容变化量C的单值线性函数。第34页/共99页第三十五页，共100页。图3-10 变压器电桥(din qio)电路第35页/共99页第三十六页，共100页。0oi xCUUC（3-24） 第36页/共99页第三十七页，共100

11、页。xxdAC（3-25）则 00io ixxCC UUUdCA（3-26）由式（3-26）可知， 运算放大器的输出电压与极板间距dx成线性关系， 式中符号“”表示(biosh)输出与输入电压反向。第37页/共99页第三十八页，共100页。第38页/共99页第三十九页，共100页。第39页/共99页第四十页，共100页。输入方波加在电桥输入方波加在电桥的的A点和地之间，点和地之间， Cx为为被测电容，被测电容， Cd为平衡电为平衡电器器Cx和和Cd充、充、 放电过程放电过程在方波平顶部分结束，在方波平顶部分结束，因此，因此， 电桥将发生如下电桥将发生如下的过程的过程:第40页/共99页第四十一

12、页，共100页。当输入的方波由当输入的方波由E1跃变到跃变到E2时，时， 电容电容Cx和和Cd两端的电压皆由两端的电压皆由E1充充电到电到E2。 对电容对电容Cx充电充电3-12i1(T1时间时间)， VD2， VD4一直处于截止状态。一直处于截止状态。 在在T1时间内由时间内由A点向点向C点流点流动的电荷量为动的电荷量为q1=Cd(E2E1)。第41页/共99页第四十二页，共100页。当输入的方波由当输入的方波由E2返回到返回到E1时，时， Cx、 Cd，VD1、VD3截止。截止。 在在T2时间内时间内C点向点向A点流过的点流过的电荷量为电荷量为q2=Cx(E2E1)。第42页/共99页第四

13、十三页，共100页。设方波的频率设方波的频率f=1/T0(即每秒钟要发生即每秒钟要发生的充放电过程的次数的充放电过程的次数)，则由则由C点流向点流向A点的平均点的平均此支路的瞬时此支路的瞬时电流平均电流平均(pngjn)值为值为（3-27）21d21dxxIC f EEC f EEfE CC第43页/共99页第四十四页，共100页。式中，式中， E=E2E1为为方波的幅值。方波的幅值。 令令Cx的初的初始值为始值为C0， Cx为为Cx的的(3-28)由式（由式（3-28）可以看）可以看出，出， I 正比于正比于Cx。d() xxIfE CCfE C第44页/共99页第四十五页，共100页。第4

14、5页/共99页第四十六页，共100页。第46页/共99页第四十七页，共100页。调频振荡器的振荡频率调频振荡器的振荡频率由下式决定：由下式决定：分布电容的综合；分布电容的综合； C为为传感器电传感器电容的变化量。容的变化量。12fLC（3-29）第47页/共99页第四十八页，共100页。当没有被测信号时，当没有被测信号时，(y )相应的改变量相应的改变量f：0012fLC（3-30）00012()fffL CC（3-3）第48页/共99页第四十九页，共100页。第49页/共99页第五十页，共100页。第50页/共99页第五十一页，共100页。第51页/共99页第五十二页，共100页。电容式湿敏

15、传感器电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。行湿度测量的传感器。这里介绍两种薄片状电这里介绍两种薄片状电容湿敏传感元件。容湿敏传感元件。 这类这类湿敏元件实际上是一种湿敏元件实际上是一种吸湿性电解质材料的吸湿性电解质材料的化铝化铝)等。等。 由吸湿性电解由吸湿性电解质材料构成的薄片状电质材料构成的薄片状电容式湿敏传感器能测全容式湿敏传感器能测全湿范围的湿度，湿范围的湿度， 且线性且线性好、好、 重复性好、重复性好、 滞后小、滞后小、响应快、响应快、 尺寸小，尺寸小， 能在能在1070的环境温度中的环境温度中使用。使用

16、。第52页/共99页第五十三页，共100页。图图3-15所示为高分子所示为高分子聚合膜电容式湿敏元件聚合膜电容式湿敏元件的结构。的结构。 在清洗干净的在清洗干净的玻璃衬底或聚酰亚胺薄玻璃衬底或聚酰亚胺薄膜软衬底上蒸镀一层厚膜软衬底上蒸镀一层厚度约度约1 m的叉指形金电的叉指形金电薄膜的厚度约为薄膜的厚度约为200500 A较为适宜。较为适宜。 由上、由上、 下下电极和夹在其电极和夹在其间的感湿膜构成一个对间的感湿膜构成一个对湿度敏感的平板形电容湿度敏感的平板形电容器。器。第53页/共99页第五十四页，共100页。第54页/共99页第五十五页，共100页。当环境气氛中的水当环境气氛中的水分子沿着

17、电极的毛细微分子沿着电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附孔进入感湿膜而被吸附时，时， 湿敏元件的电容值湿敏元件的电容值子能顺利子能顺利(shnl)地穿透地穿透薄膜，薄膜， 且感湿膜只有一且感湿膜只有一层呈微孔结构的薄膜，层呈微孔结构的薄膜，因此吸湿和脱湿比较容因此吸湿和脱湿比较容易。易。第55页/共99页第五十六页，共100页。第56页/共99页第五十七页，共100页。图图3-17示出了另一种示出了另一种薄片状电容式湿敏元件薄片状电容式湿敏元件的结构。的结构。 其感湿膜为一其感湿膜为一层多孔氧化铝薄膜，层多孔氧化铝薄膜， 衬衬底为硼硅玻璃或蓝宝石，底为硼硅玻璃或蓝宝石，上金膜电极和两个下金上金膜电

18、极和两个下金定温度范围内，定温度范围内， 电容值电容值的改变与相对湿度的改的改变与相对湿度的改变成正比。变成正比。 但在高湿度但在高湿度环境中（相对湿度环境中（相对湿度大于大于90%），）， 会出现非会出现非线性。线性。第57页/共99页第五十八页，共100页。第58页/共99页第五十九页，共100页。第59页/共99页第六十页，共100页。第60页/共99页第六十一页，共100页。（1） 当油箱无油时，当油箱无油时，令令3400RRCCx使电桥处于平衡状态(zhungti)， 输出为零， 伺服电机不转动。 第61页/共99页第六十二页，共100页。（2） 当油箱中油量当油箱中油量增加，增加，

19、 液位上升到液位上升到hx处，处，则则Cx=Cx0+Cx， 其中其中电阻电阻Rw， 使电桥重新恢使电桥重新恢复平衡。复平衡。 在新的平衡位在新的平衡位置上有置上有3400RRRCCCWx第62页/共99页第六十三页，共100页。33w100 xxRRRCk hCC因为指针与电位计滑动臂同轴连接(linji)， 所以Rw和角之间存在确定的对应关系， 设32w1 20 xRk Rk khC可见(kjin)， 与hx呈线性关系， 这样便可以从刻度盘上读出油位高度。 第63页/共99页第六十四页，共100页。第64页/共99页第六十五页，共100页。第65页/共99页第六十六页，共100页。2. 工作

20、工作(gngzu)原原理理图图3-20是调幅式测量是调幅式测量间的电容量间的电容量C非常小，非常小， 它它与电感与电感L构成高品质因数构成高品质因数（Q）的）的LC振荡电路，振荡电路，Q=1/RC。第66页/共99页第六十七页，共100页。第67页/共99页第六十八页，共100页。当被检测物体为导当被检测物体为导电体时，电体时， 检测极板检测极板2、 3之间经过与导电体之间之间经过与导电体之间多，多， 引起引起LC回路的回路的Q值值下降，下降， 输出电压输出电压Uo下降，下降，Q值下降到一定程度时振值下降到一定程度时振荡器停振。荡器停振。第68页/共99页第六十九页，共100页。当含水的被测物

21、接当含水的被测物接近检测极板时，近检测极板时， 由于检由于检测极板上施加有高频电测极板上施加有高频电压，压， 在它附近产生交变在它附近产生交变电场，电场， 被检测物体就会被检测物体就会受到静电感应，受到静电感应， 而使内而使内化过程中需要消耗一定化过程中需要消耗一定能量，能量， 该能量由该能量由LC振荡振荡电路提供，电路提供， 必然使必然使LC振振荡电路的荡电路的Q值进一步降低，值进一步降低，振荡减弱，振荡减弱， 振荡幅度减振荡幅度减小。小。第69页/共99页第七十页，共100页。当被测物体靠近到当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的一定距离时，振荡器的Q值低到无法维持值低到无法维持LC振荡振荡

22、电路的振荡而停振。电路的振荡而停振。 根根用，用， 且在日常生活中，且在日常生活中，如宾馆、如宾馆、 饭店、饭店、 车库的车库的自动门，自动门， 以及自动热风以及自动热风机上都有应用。机上都有应用。第70页/共99页第七十一页，共100页。dAdACr0第71页/共99页第七十二页，共100页。 当忽略边缘效当忽略边缘效应时，应时， 变面积式和变介变面积式和变介电常数式电容传感器具电常数式电容传感器具有线性的输出特性，有线性的输出特性， 变变间隙式电容传感器的输间隙式电容传感器的输出特性是非线性的，出特性是非线性的， 为为频率等信号。频率等信号。 常用的测常用的测量电路有运算放大器式量电路有运

23、算放大器式电路、电路、 电桥电路、电桥电路、 调频调频电路、电路、 谐谐振电路以及脉冲宽度调振电路以及脉冲宽度调制电路等。制电路等。第72页/共99页第七十三页，共100页。 电子技术电子技术(jsh)的发展解决了电容传感的发展解决了电容传感力、力、压力、压力、 差压、差压、 流量、流量、 成成分、分、 液位等参数的测量。液位等参数的测量。第73页/共99页第七十四页，共100页。第74页/共99页第七十五页，共100页。2. 用电容式传感器用电容式传感器测量固体测量固体(gt)或液体物或液体物位时，位时， 应该选用应该选用（）传感器。）传感器。 板间初始距离板间初始距离d之间是之间是（）。）

24、。A. 正比关系正比关系 B. 反比关系反比关系 C. 无关系无关系第75页/共99页第七十六页，共100页。4. 电容传感器做成电容传感器做成差动式之后，差动式之后， 灵敏度灵敏度（），）， 而且非线而且非线性误差性误差(wch)（）。）。 敏度将（敏度将（）。）。 A. 增大，增大， 不变不变B. 减小，减小， 不变不变C. 减小，减小， 减小减小D. 减小，减小， 增大增大第76页/共99页第七十七页，共100页。6. 五端连接头是五端连接头是( )连接头的组合。连接头的组合。A. 二端和三端二端和三端 B. 二二端和四端端和四端 C. 三端和四端三端和四端D. 二端和五端二端和五端7.

25、 在两片间隙为在两片间隙为1 8. 电子卡尺的分电子卡尺的分辨率可达辨率可达0.01 mm, 行程行程可达可达200 mm， 它的内部它的内部所采用的电容传感器型所采用的电容传感器型式是式是( )。 A. 变极距式变极距式 B. 变变面积式面积式 C. 变介电常数式变介电常数式第77页/共99页第七十八页，共100页。9. 在电容传感器中，在电容传感器中，若采用调频法测量若采用调频法测量(cling)转换电路转换电路, 则电则电路中路中( )。 A. 电容和电感均电容和电感均 10. 电容式接近开电容式接近开关对关对( )的灵敏度最的灵敏度最高。高。 A. 玻璃玻璃B. 塑塑料料 C. 纸纸D

26、. 鸡饲料鸡饲料第78页/共99页第七十九页，共100页。二、二、 简答题简答题1. 电容式传感器有哪电容式传感器有哪些类型？说明各种类型些类型？说明各种类型的电容式传感器的工作的电容式传感器的工作理。理。 4. 简述电容式传感简述电容式传感器的主要优点及应用范器的主要优点及应用范围。围。第79页/共99页第八十页，共100页。5. 有一变极距型电有一变极距型电容式传感器，容式传感器， 两极板的两极板的重合面积为重合面积为8 cm2， 两个极板间的距两个极板间的距离为离为1 mm， 已知空气的已知空气的相对介电常数为相对介电常数为1， 试计试计什么？什么？7. 如何改善单极式如何改善单极式变极

27、距型传感器的非线变极距型传感器的非线性？性？8. 简述电容式油量简述电容式油量表的工作原理。表的工作原理。第80页/共99页第八十一页，共100页。三、三、 计算题计算题1. 一个用于位移测一个用于位移测量的电容式传感器，量的电容式传感器， 两两个极板是边长为个极板是边长为 6 cm 的的正方形，正方形， 间距为间距为 1 mm，（即介质板向某一方向（即介质板向某一方向移出极板相互覆盖部分移出极板相互覆盖部分的距离）分别为的距离）分别为 0 cm、3 cm、 6 cm 时，时， 该传该传感器的输出电容值各为感器的输出电容值各为多少？多少？第81页/共99页第八十二页，共100页。2. 有一只变

28、极距电有一只变极距电容传感元件，容传感元件， 两极板的两极板的重叠有效面积为重叠有效面积为 8104 m2， 两极板间的距离两极板间的距离为为1 mm， 已知空气的相已知空气的相对介电常数是对介电常数是 ， 试计算试计算感器测量位移感器测量位移x， 试计试计算算(j sun)该传感器的灵该传感器的灵敏度并画出传感器的特敏度并画出传感器的特性曲线。性曲线。 极板间介质为极板间介质为空气，空气， 0=8.851012 F/m。第82页/共99页第八十三页，共100页。第83页/共99页第八十四页，共100页。四、四、 分析计算题分析计算题1. 有一平面直线位移有一平面直线位移差动传感器，差动传感器

29、， 其测量电其测量电路采用变压器交流电桥，路采用变压器交流电桥，且且u=uo。 试求当动极板试求当动极板上输入上输入(shr)一位移量一位移量x=5 mm时，时， 电桥输出电桥输出电压电压uo。第84页/共99页第八十五页，共100页。第85页/共99页第八十六页，共100页。2. 变间隙电容传感变间隙电容传感器的测量电路为运算放器的测量电路为运算放大器电路，大器电路， 如图如图3-23所所示。示。 C0=200 pF， 传感传感sint V。 求当电容传感求当电容传感动极板上输入一位移量动极板上输入一位移量x=0.15 mm使使d0减小时，减小时，电路输出电压电路输出电压(diny)uo为多

30、少为多少?第86页/共99页第八十七页，共100页。图3-23 变间隙电容传感器的测量(cling)电路第87页/共99页第八十八页，共100页。3. 图图3-24(a)是电容式是电容式差压传感器，差压传感器， 金属膜片金属膜片与两盘构成差动电容与两盘构成差动电容C1、C2，两边压力分别为，两边压力分别为p1、即即p1=p2时负载电阻时负载电阻RL上上的电压的电压Uo之值；之值； 当当p1p2时负载电阻时负载电阻RL上的上的电压电压Uo的大小和方向的大小和方向（正负）。（正负）。第88页/共99页第八十九页，共100页。图3-24 电容式差压传感器与二极管双T型电路(dinl)第89页/共99页第九十页，共100页。五、五、 设计题设计题 粮食部门在收购、粮食部门在收购、存储谷物、存储谷物、 菜籽等时，菜籽等时，需测定这些粮食、需测定这些粮食、 种子种子的干燥程度，以防霉变。的干燥程度，以防霉变。在在1020之间之间)。(2) 能进行粮食品种能进行粮食品种的选择的选择(能输入不同的纠能输入不同的纠正系数正系数)。第90页/共99页第九十一页，共100页。(3) 粮食易于倒入及粮食易于倒入及倒出。倒出。