参量传感器之电容式超声波PPT学习教案

1、会计学1参量传感器之电容式超声波参量传感器之电容式超声波第1页/共74页第2页/共74页电容传感器液位计电容传感器液位计P32 电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。换为电压、电流或频率。第3页/共74页0rAACdd 电容传感器的理想公式为电容传感器的理想公式为 d 极板间距离；极板间距离； A 极板面积；极板面积；电容极板间介质的介电常数；电容极板间介质的介电常数； r r 相对介电相对介电常数常数电容式传感器电容式传感器0真空的介电常数真

2、空的介电常数。第4页/共74页 电容传感器电容传感器声波测量动声波测量动画演示画演示第5页/共74页第6页/共74页1变极距式电容传感器变极距式电容传感器00000(1)xACdAxCCdxdx变极距式电容传感器原理动画演示变极距式电容传感器原理动画演示设设和和A A不变，初始状极距为不变，初始状极距为d d0 0时，电容器时，电容器容量为容量为C C0 0。若动极板有位移，使极板间距。若动极板有位移，使极板间距离减小离减小x x，则电容则增大到，则电容则增大到 c cx x。第7页/共74页结构示意图结构示意图1定极板定极板 2动极板动极板 电容量与极板距离的关系电容量与极板距离的关系电容与

3、位移不是线性关系。为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实电容与位移不是线性关系。为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实际应用时常采用差动式结构。际应用时常采用差动式结构。第8页/共74页2变面积式电容式传感器变面积式电容式传感器第9页/共74页第10页/共74页)1 ()ln()(20hxCrRxhCx第11页/共74页 变面积式电容传感器的输出特性是线性的变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位检测直线位移、角位移、尺寸等参量移、角位移、尺寸等参量。 xa)/1()/1(00qqCdSCdSCx 图图C C为角位移式

4、变面积型传感器，动极为角位移式变面积型传感器，动极板可围绕定极板旋转形成角位移。设板可围绕定极板旋转形成角位移。设两极板初始重叠角度为两极板初始重叠角度为 ，动极板随，动极板随被测物体带动产生一个角位移被测物体带动产生一个角位移 ，两，两个极板的重叠面积减小，因而电容量个极板的重叠面积减小，因而电容量随之减小。此时的电容量为随之减小。此时的电容量为 q第12页/共74页3变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器原理动画演示变介电常数电容式传感器原理动画演示第13页/共74页圆金属管状电极间上圆金属管状电极间上下变化时，引起两极下变化时，引起两极间不同介质的高度发间不同

5、介质的高度发生变化，从而导致总生变化，从而导致总电容量改变。电容量改变。0022 ()ln(/)ln(/)HhCAKhD dD d 第14页/共74页 经推导可知变介电常数式电容传感器其电容经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：表示：xCAkh其中其中A、B均为与结构和介质有关的常数均为与结构和介质有关的常数第15页/共74页例例 某电容式液位传感器由直径为某电容式液位传感器由直径为40mm40mm和和8mm8mm的两个同心圆柱的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为体组成。储存灌也是圆柱形，直径为

6、50cm50cm，高为。被储存液，高为。被储存液体的体的r r 。计算传感器的最小电容和最大电容以及储存灌内。计算传感器的最小电容和最大电容以及储存灌内传感器的灵敏度传感器的灵敏度(pF/L)(pF/L)。解：解：pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120min0max21241.462.187.07lnrHCpFpFrr LmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax第16页/共74页类型类型变间隙变间隙变面积变面积变介电常数变介电常数应用场合应用场合线位移线位移角位移

7、或较角位移或较大线位移大线位移物位、湿度、物位、湿度、密度密度是否线性是否线性非线性关非线性关系。灵敏系。灵敏度也不是度也不是常数。常数。线性关系线性关系 线性关系线性关系 第17页/共74页22UUUxCoCCCCCCxx02012122xxxCCCUUZZZ二、测量转换电路二、测量转换电路12122xxxxCCUCC2121112xxxUUj Cj Cj C第18页/共74页 缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位移方向。后，才能辨别位移方向。 对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：

8、 ），（其中ddACddACxx020102oUdUd优点：优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线线 性关系性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。转化为位移与输出电压的线性关系。02oUCUC可得：可得：第19页/共74页2调频电路调频电路012xfL C第20页/共74页图为一种差动脉冲宽度调制电路。图中图为一种差动脉冲宽度调制电路。图中C1和和C2为传感器的两个差动电容。线路由两个电压比较器为传感器的两个差动电容。线路由两个电压比较器A1和和A2，一个双稳态触发器和两个充放电回路，一个双稳态触发器和两个充放电回路R1C1和和R2C2(R1=R2)

9、所组成；所组成；Uref为参考直流电压；双稳态触发器的两输出端电平由两比较器控制。为参考直流电压；双稳态触发器的两输出端电平由两比较器控制。当接通电源后，若触发器当接通电源后，若触发器Q端为高电平，端为高电平， 端为低电平端为低电平(0)，则触发器通过，则触发器通过R1对对C1充电；当充电；当F点电位点电位UF升到与参考电压升到与参考电压Uref相等时，比较器相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为低电平， 端为高电平。此时，由电容端为高电平。此时，由电容C1通过二极管通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由迅速放电至零，而触发器由B端经端

10、经R2向向C2充电；当充电；当G点电位点电位UG与参考与参考电压电压Uref相等时，比较器相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。调制。当当C1=C2时，时，Q和和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，时，Q、两端间的平均电压、两端间的平均电压(经一低通滤波器经一低通滤波器)为为QQQQ120112TTUUTT12011120C

11、 CCUUUC CC3脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路第21页/共74页tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0第22页/共74页脉冲调宽电路具有以下五方面的特点脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：消除了非线性；消除了非线性；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；频率对输出无影响；频率对输出无影响；

12、对输出矩形波纯度要求不高。对输出矩形波纯度要求不高。公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。第23页/共74页电容式压力传感器结构图电容式压力传感器结构图三、电容式传感器的应用三、电容式传感器的应用 第24页/共74页高压高压侧进侧进气口气口低压侧低压侧进气口进气口电子电子线路线路位置位置内部内部不锈不锈钢膜钢膜片的片的位置位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器外形图第25页/共74页第26页/共74页第27页/共74页施加在高压侧腔体内施加在高压侧腔体内的压力与

13、液位成正比的压力与液位成正比： p = g h第28页/共74页投入式电容水位计外形图投入式电容水位计外形图第29页/共74页第30页/共74页电容传感器加速度测量动画演示电容传感器加速度测量动画演示第31页/共74页电容式加速度传感器电容式加速度传感器1绝缘体绝缘体 2固体电极固体电极 3质量块（动电极）质量块（动电极） 4弹簧片弹簧片第32页/共74页第33页/共74页第34页/共74页第35页/共74页装有传感器装有传感器的假人的假人气囊气囊第36页/共74页第37页/共74页传感器安装位置传感器安装位置第38页/共74页电容传感器转速测量动画演示电容传感器转速测量动画演示第39页/共7

14、4页 电容料位测量示意图电容料位测量示意图1极棒极棒 2容器壁容器壁 AM90系列电容物位仪系列电容物位仪 第40页/共74页聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位计液位计设定按设定按钮钮第41页/共74页第42页/共74页5电容式接近开关电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）缘体、含水的物体（例如饲料、人体等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。可以是接地的，也可以是不接地的。 调节接调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。被测物不同来改

15、变动作距离。 第43页/共74页非齐平式非齐平式第44页/共74页M18M30 40 mm40 mm x 40 mm工作距离工作距离5 mm10 mm20 mm20 mm工作电压工作电压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导线数量导线数量3 线制2、4 线制2、4 线制2、4 线制输出输出pnppnppnppnp常开触点常开、常闭触点，常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点常开和常闭接点，常开或常闭接点安装安装嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式连接连接电缆电缆接线端子

16、格接线端子格接线端子格SIMATIC PXC200 电容式接近开关使用一览表电容式接近开关使用一览表第45页/共74页 电容式接近开关电容式接近开关 SIMATIC PXC是非接触型是非接触型传感器，适用于具有各种形状和表面的导电传感器，适用于具有各种形状和表面的导电和非导电金属，可测量传导和非传导性物料和非导电金属，可测量传导和非传导性物料，如固体、粉末或液体等。，如固体、粉末或液体等。奶盒中的牛奶检测奶盒中的牛奶检测第46页/共74页第47页/共74页 电容式接近传感器是一个以电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电

17、路、放大电路、整形电路及输出电路组成，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图所示。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡如图所示。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测电极接近检测电极时，由于检测电极电路的一个组成部分。当被检测电极接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容为为C=Q/VC=Q

18、/V，所以电荷的增多，使检测电极电容，所以电荷的增多，使检测电极电容C C随之增大，进而又使振随之增大，进而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振振荡与停振这两种状这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。态被检测电路转换为开关信号后向外输出。12fLC电容式接近传感器电容式接近传感器检测的被测物体是检测的被测物体是金属导体金属导体，非金属，非金属导体不能用该方法导体不能用该方法测量。测量。第48页/共74页电容式接近传感器电路图电容式接近传感器电路图第49页/共74页电容指纹识别动画演示电容指纹识别动画演示6其它测量其它测量第

19、50页/共74页电容角位移测量动画演示电容角位移测量动画演示第51页/共74页电容传感器地应力测量动画演示电容传感器地应力测量动画演示第52页/共74页第53页/共74页三星三星SPHV6800手机采用电容传感器手机采用电容传感器控制某些功能，取代了部分机械按键控制某些功能，取代了部分机械按键第54页/共74页第55页/共74页超声波传感器超声超声波传波传感器感器第56页/共74页P53一、超声波的传输特性一、超声波的传输特性1.1.什么是超声波？什么是超声波？人耳能够听到的机械波，频率在人耳能够听到的机械波，频率在16 Hz20 kHz之之间，称为声波。间，称为声波。人耳听不到的机械波，人耳

20、听不到的机械波， 频率高于频率高于20 kHz的称为超声的称为超声波波；超声波的频率越高，就越接近光学的反射、折射；超声波的频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。等特性。 频率低于频率低于16 Hz的称为次声波。的称为次声波。第57页/共74页2 2超声波的波形超声波的波形 由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方由于声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向的不同，超声波的波形也不同。通常可分为如下几种：向的不同，超声波的波形也不同。通常可分为如下几种：1）纵波：纵波： 质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传

21、播；液体和气体中传播；2）横波：横波： 质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体中传播；中传播；3）表面波：表面波： 质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波的轨迹是椭圆形，质点随深度增加而迅速衰减的波。表面波的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向。由于表面波随深度增加而衰减很快，因此只能沿着固体向。由于表面波随深度增加而衰减很快，因此只能沿着固体的表面传播。的表面

22、传播。第58页/共74页3.3.超声波的特点超声波的特点（1 1） 传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比，传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比， 即即声速为声速为 C=f 式中，式中，为超声波的波长；为超声波的波长； f f为超声波的频率。为超声波的频率。 （2 2） 超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声超声波的衰减：超声波在介质中传播时，由于声波的扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波波的扩散、散射及吸收，能量按指数规律衰减。如平面波传播时的衰减公式可写作传播时的衰减公式可写作I Ix x= = I I0 0e e-2-2xx。其中，。其中，I I0 0为声源处

23、为声源处的声强的声强; ; I Ix x为距声源为距声源x x处的声强处的声强; ; 为衰减系数（单位为为衰减系数（单位为1 11010-3-3dB/mmdB/mm），水和一般低衰减材料的的取值），水和一般低衰减材料的的取值为为1 14 4。 第59页/共74页（3 3） 超声波的反射与折射：超声波的反射与折射： 当超声波从一种介质传当超声波从一种介质传播到另一种介质时，播到另一种介质时， 在两种介质的分界面上，会发生反射在两种介质的分界面上，会发生反射与折射。同样遵循反射定律和折射定律：入射角与反射角、与折射。同样遵循反射定律和折射定律：入射角与反射角、折射角的正弦比等于入射波速与反射波速、

24、折射波速之比。折射角的正弦比等于入射波速与反射波速、折射波速之比。 1 1）反射定律）反射定律 入射角入射角的正弦与反射角的正弦与反射角的正弦之比等于入的正弦之比等于入射波与反射波的速度之比。当反射波与入射波同处射波与反射波的速度之比。当反射波与入射波同处于一种介质中时，因波速相同，则反射角于一种介质中时，因波速相同，则反射角等于等于入射角入射角。第60页/共74页（4） 超声波的波形转换：超声波的波形转换： 若选择适当的入射角，若选择适当的入射角， 使纵波使纵波全反射，全反射， 那么在折射中只有横波出现；那么在折射中只有横波出现； 如果横波也全反如果横波也全反射，射， 那么在工件表面上只有表

25、面波存在。那么在工件表面上只有表面波存在。 2 2）折射定律）折射定律 当波在界面上产生折射时，入射角当波在界面上产生折射时，入射角的正弦与折的正弦与折射角射角的正弦之比等于入射波在第一种介质中的波速的正弦之比等于入射波在第一种介质中的波速C1C1与与在第二种介质中的波速在第二种介质中的波速C2C2之比，即之比，即： 21sinsinCC 压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可将高频电振动转换

26、成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可用为接收探头。电信号，可用为接收探头。第61页/共74页二、空气中传播的超声波传感器及其基本电路二、空气中传播的超声波传感器及其基本电路1.1.遥控用超声波传感器遥控用超声波传感器超声波遥控电路采用专用的在空气中传播的超声发射器超声波遥控电路采用专用的在空气中传播的超声发射器（用符号（用符号T T表示）与接收器表示）与接收器( (用符号用符号R R表示表示) )成对配套使用成对配套使用。它所发射的超声波采用固定的中心频率，谐振频率。它所发射的超声波采用

27、固定的中心频率，谐振频率f f0 0一般为一般为40kHz40kHz。这种传感器有一种单峰特性，即在中心。这种传感器有一种单峰特性，即在中心频率频率f f0 0处灵敏度最高，输出信号幅度最大，接收器的接处灵敏度最高，输出信号幅度最大，接收器的接收灵敏度最高，收灵敏度最高， 而在中心频率两侧则迅速衰减。而在中心频率两侧则迅速衰减。由于超声波接收器具有很好的选频特性，由于超声波接收器具有很好的选频特性， 因此在组成电路系因此在组成电路系统时，不必另设选频网络。由于发射器需要发射出强度较高的统时，不必另设选频网络。由于发射器需要发射出强度较高的超声波信号，所以它的灵敏度大于超声波信号，所以它的灵敏度

28、大于100 dB100 dB。接收器应能良好地。接收器应能良好地接收超声波信号，因此它的灵敏度大于接收超声波信号，因此它的灵敏度大于60 dB60 dB。 第62页/共74页2.2.超声波发射电路超声波发射电路P55P55图是由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产图是由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产生的高频电压通过耦合电容生的高频电压通过耦合电容C CP P供给超声波振子供给超声波振子MA40S2SMA40S2S。CC4049CC4049的的H H1 1和和H H2 2产生与超声波频率相对应的高频电压信号产生与超声波频率相对应的高频电压信号， H H3 3H H6 6进行功率

29、放大，再经过耦合电容进行功率放大，再经过耦合电容C CP P传给超声波振传给超声波振子子MA40S2SMA40S2S。 数字式超声波振荡电路数字式超声波振荡电路 第63页/共74页采用脉冲变压器的超声波振荡电路采用脉冲变压器的超声波振荡电路 图是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用图是采用脉冲变压器的超声波振荡电路实例。电路中用NPNNPN晶体管晶体管V V放大频率可调振荡器放大频率可调振荡器OSCOSC的输出信号，放大的信号经脉的输出信号，放大的信号经脉冲变压器冲变压器T T升压为较高的交流电压供给超声波传感器升压为较高的交流电压供给超声波传感器MA40S2SMA40S2S。 超声波

30、传感器超声波传感器MA40S2SMA40S2S产生产生40 kHz40 kHz能量的超声波。能量的超声波。 第64页/共74页3.3.超声波接收电路超声波接收电路由于超声波传感器接收到的信号极其微弱，因此，一般要接由于超声波传感器接收到的信号极其微弱，因此，一般要接几十几十dBdB以上的高增益放大器。一般用于检测反射波，它远离超以上的高增益放大器。一般用于检测反射波，它远离超声波发生源，能量衰减较大，只能接收到几声波发生源，能量衰减较大，只能接收到几mVmV左右的微弱信号左右的微弱信号。因此，实际应用时要加。因此，实际应用时要加多级放大器多级放大器。 如图所示，采用如图所示，采用NPNNPN晶体管晶体管V V进行放大构成超声波接收电路，进行放大构成超声波接收电路，超声波传感器采用超声波传感器采用MA40S2RMA40S2R。 晶体管超声波接收电路晶体管超声波接收电路 第65页/共74页集成运放超声波接收电路集成运放超声波接收电路 采用运放的超声波接收电路，电路增益较采用运放的超声波接收电路，电路增益较高。电路输出为高频电压，高