《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》PPT課件

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1、2021-5-1 1 上 節(jié) 回 顧 :本 節(jié) 主 要 內(nèi) 容 :1.電 容 傳 感 器1.電 阻 應(yīng) 變 式 傳 感 器2.固 態(tài) 壓 阻 式 傳 感 器3.熱 電 阻 式 傳 感 器4.熱 敏 電 阻 傳 感 器 2021-5-1 2 第 3章 電 容 傳 感 器 本 章 學(xué) 習(xí) 電 容 傳 感 器 的 原 理 及 應(yīng)用 ， 還 涉 及 壓 力 、 液 位 及 流 量 的 測(cè) 量方 法 。 2021-5-1 3 簡(jiǎn) 介n 電 容 式 傳 感 器 是 將 被 測(cè) 非 電 量 （ 如 尺 寸 、 壓 力 等 ）的 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 容 量 變 化 的 一 種 傳 感 器 。 壓 差 變

2、送 器 接 近 開 關(guān) 三 軸 加 速 度 傳 感 器 物 位 開 關(guān) 2021-5-1 4 第 一 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 工 作 原 理及 結(jié) 構(gòu) 形 式 上 式 中 ， 哪 幾 個(gè) 參 量 是 變 量 ？ 可 以 做 成 哪幾 種 類 型 的 電 容 傳 感 器 ？ 0 r AAC d d 電 容 傳 感 器 的 基 本 理 想 公 式 為 2021-5-1 5 第 一 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 工 作 原 理及 結(jié) 構(gòu) 形 式 改 變 A、 d、 三 個(gè) 參 量 中 的 任 意 一 個(gè) 量 ， 均 可 使平 板 電 容 的 電 容 量 C 改 變 。 固 定 三 個(gè) 參

3、量 中 的 兩 個(gè) ， 可 以 做 成 三 種 類 型 的 電容 傳 感 器 。 0 r AAC d d 電 容 傳 感 器 的 基 本 理 想 公 式 為 2021-5-1 6 變 面 積 型 電 容 傳 感 器 平 面 形 直 線 位 移 式 圓 柱 形 直線 位 移 式 角位移式 2021-5-1 7 一 、 變 面 積 式 電 容 傳 感 器 圖 a是 平 板 形 直 線 位 移 式 結(jié) 構(gòu) ， 其 中 極 板 1可 以 左 右 移 動(dòng) ，稱 為 動(dòng) 極 板 。 極 板 2固 定 不 動(dòng) ， 稱 為 定 極 板 。 圖 b是 同 心 圓 筒 形變 面 積 式 傳 感 器 。 外 圓 筒

4、 不 動(dòng) ， 內(nèi) 圓 筒 在 外 圓 筒 內(nèi) 作 上 、 下 直線 運(yùn) 動(dòng) 。 圖 c是 一 個(gè) 角 位 移 式 的 結(jié) 構(gòu) 。 極 板 2的 軸 由 被 測(cè) 物 體 帶動(dòng) 而 旋 轉(zhuǎn) 一 個(gè) 角 位 移 度 時(shí) ， 兩 極 板 的 遮 蓋 面 積 A就 減 小 ， 因 而 電 容 量 也 隨 之 減 小 。 2021-5-1 8 變 面 積 式 電 容 傳 感 器 的 特 性 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 。 請(qǐng) 畫 出 變

5、 面 積 式 電 容 傳 感 器 的 輸 出 特 性 曲 線 ！ 2021-5-1 9 二 、 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 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 。 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(lái) 了 變 極距 式 電 容 器 的 行 程 較 小 的 缺 點(diǎn) 。 2021-5-1 10 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 的 特 性 曲 線 從 圖 中 可 以 看 到 ， 為 了 提

6、 高 靈 敏 度 ， 應(yīng) 使 當(dāng) d 0小些 還 是 大 些 ？ 當(dāng) 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 的 初 始 極 距 d0較小 時(shí) ， 它 的 測(cè) 量 范 圍 變 大 還 是 變 小 ？ a） 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 b） 電 容 量 與 極 板 距 離 的 關(guān) 系1定 極 板 2動(dòng) 極 板 2021-5-1 11 三 、 變 介 電 常 數(shù) 式 因 為 各 種 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 。 表 5-1 幾 種 介 質(zhì) 的 相 對(duì) 介 電 常 數(shù) 2021-

7、5-1 12 變 介 電 常 數(shù) 式 電 容 傳 感 器 的 用 途 根 據(jù) 表 5-1， 分 析 不 同 介 質(zhì) 對(duì) 變 介 電 常 數(shù) 電 容 器的 影 響 。 在 電 容 器 兩 極 板 間 插 入 干 的 紙 和 潮 濕 的 紙時(shí) ， 哪 一 種 情 況 下 的 電 容 量 大 ？ 可 以 用 于 測(cè) 量 什 么非 電 量 ？ 2021-5-1 13 第 二 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 電 路 2021-5-1 14 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路-電橋 n Cx為 電 容 傳 感 器 ， 沒有 變 化 時(shí) ， 輸 出 電 壓 U0=0。 n Cx變 化 時(shí) ， U0 0， 由此 可

8、 測(cè) 得 電 容 的 變 化值 。 321 CCCC x 相 鄰 的 兩 臂 接 入差 動(dòng) 式 電 容 傳 感器 。 空 載 時(shí) 的 輸出 電 壓 為 UCCU 00 2021-5-1 15 2021-5-1 16 2021-5-1 17 2021-5-1 18 2021-5-1 19 第 二 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 電 路 （ 調(diào) 頻 電 路 ） 調(diào) 頻 電 路 將 電 容 式 傳 感 器 作 為 LC 振 蕩 器 諧 振回 路 的 一 部 分 ， 當(dāng) 電 容 傳 感 器 工 作 時(shí) ， 電 容 Cx 發(fā)生 變 化 ， 就 使 振 蕩 器 的 頻 率 f 產(chǎn) 生 相

9、應(yīng) 的 變 化 。 式 中 哪 些 量 是 變 量 ？ 01 5-22f L C 2021-5-1 20 調(diào) 頻 式 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 電 路 n 當(dāng) 輸 入 量 導(dǎo) 致 傳 感 器 的 電 容 量 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 振 蕩 器的 振 蕩 頻 率 也 相 應(yīng) 地 變 化 ， 即 振 蕩 器 頻 率 受 傳 感 器輸 出 電 容 的 調(diào) 制 ， 故 稱 調(diào) 頻 式 。 n 在 實(shí) 現(xiàn) 了 電 容 到 頻 率 的 轉(zhuǎn) 換 后 ， 再 用 鑒 頻 器 把 頻 率的 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 幅 度 的 變 化 ， 經(jīng) 放 大 后 輸 出 ， 進(jìn) 行 顯示 和 紀(jì) 錄 2021-5-1 21 調(diào) 頻 （

10、 FM） 電 路TTL電 平 的 高 電 平 和 低 電 平 電 壓 范 圍 分 別 是 多 少 伏 ？ TTL高 電 平 3.6-5V ,低 電 平 0-2.4V 2021-5-1 22 運(yùn) 算 放 大 器 式 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 電 路 n 輸 出 電 壓n 如 果 傳 感 器 為 平 板 形 電 容 器 ， 則 n 此 電 路 能 解 決 變 極 距 型 電 容 式 傳 感 器 的 非 線性 問(wèn) 題 ixo UCCU dACUU io 2021-5-1 23 2021-5-1 24 2021-5-1 25 第 三 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 應(yīng) 用 電 容 器 的 容 量 受 三 個(gè) 因

11、 素 影 響 ， 即 ： 極 距 x、相 對(duì) 面 積 A 和 極 間 介 電 常 數(shù) 。 固 定 其 中 兩 個(gè) 變 量 ， 電 容 量 C 就 是 另 一 個(gè) 變 量 的 一 元 函 數(shù) 。 只 要想 辦 法 將 被 測(cè) 非 電 量 轉(zhuǎn) 換 成 極 距 或 者 面 積 、 介 電常 數(shù) 的 變 化 ， 就 可 以 通 過(guò) 測(cè) 量 電 容 量 這 個(gè) 電 參 數(shù)來(lái) 達(dá) 到 非 電 量 電 測(cè) 的 目 的 。 2021-5-1 26 2021-5-1 27 電容式壓差傳感器 1-硅 油 2-隔 離 膜 3-焊 接密 封 圈 4-測(cè) 量 膜 片 （ 動(dòng) 電極 ） 5-固 定 電 極 結(jié)構(gòu) 外形 應(yīng)

12、用測(cè)量液位 2021-5-1 28 2021-5-1 29 二 、 硅 微 加 工 加 速 度 傳 感 器 圖 示 加 速 度 傳 感 器 以 微 細(xì)加 工 技 術(shù) 為 基 礎(chǔ) ， 既 能 測(cè) 量 交變 加 速 度 （ 振 動(dòng) ） ， 也 可 測(cè) 量慣 性 力 或 重 力 加 速 度 。 其 工 作電 壓 為 2.7 5.25V， 加 速 度 測(cè)量 范 圍 為 數(shù) 個(gè) g， 可 輸 出 與 加速 度 成 正 比 的 電 壓 也 可 輸 出 占空 比 正 比 于 加 速 度 的 PWM 脈沖 。 2021-5-1 30 微 加 工 三 軸 加 速 度 傳 感 器技 術(shù) 指 標(biāo) ： 靈 敏 度 ：

13、 500mV/g ， 量 程 ： 10g， 頻 率 范 圍 ： 0.5-2000H z，安 裝 諧 振 點(diǎn) :8kH z ， 分 辨 力 ： 0.00004g ， 重 量 ： 200g ， 安 裝 螺 紋 ： M5 mm ， 線 性 誤 差 ： 1% 2021-5-1 31 硅 微 加 工 加 速 度 傳 感 器 原 理 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 ） 2021-5-1 32 利 用 微 電 子 加 工 技 術(shù) ， 可 以 將 一 塊 多 晶 硅 加

14、工 成 多 層 結(jié) 構(gòu) 。 在 硅 襯 底 上 ， 制 造 出 三 個(gè) 多 晶 硅 電 極 ， 組 成 差 動(dòng) 電 容 C1、C2。 圖 中 的 底 層 多 晶 硅 和 頂 層 多 晶 硅 固 定 不 動(dòng) 。 中 間 層 多 晶 硅是 一 個(gè) 可 以 上 下 微 動(dòng) 的 振 動(dòng) 片 。 其 左 端 固 定 在 襯 底 上 ， 所 以 相當(dāng) 于 懸 臂 梁 。 當(dāng) 它 感 受 到 上 下 振 動(dòng) 時(shí) ， C1、 C2呈 差 動(dòng) 變 化 。 與 加 速 度 測(cè)試 單 元 封 裝 在 同 一 殼 體 中 的 信 號(hào) 處 理 電 路 將 C 轉(zhuǎn) 換 成 直 流 輸出 電 壓 。 它 的 激 勵(lì) 源 也

15、 做 在 同 一 殼 體 內(nèi) ， 所 以 集 成 度 很 高 。 由于 硅 的 彈 性 滯 后 很 小 ， 且 懸 臂 梁 的 質(zhì) 量 很 輕 ， 所 以 頻 率 響 應(yīng) 可達(dá) 1kHz以 上 ， 允 許 加 速 度 范 圍 可 達(dá) 10g 以 上 。 如 果 在 殼 體 內(nèi) 的 三 個(gè) 相 互 垂 直 方 向 安 裝 三 個(gè) 加 速 度 傳 感器 ， 就 可 以 測(cè) 量 三 維 方 向 的 振 動(dòng) 或 加 速 度 。 2021-5-1 33 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(cè)得

16、 的 負(fù) 加 速 度 值 超 過(guò) 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 安 全 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 囊 2021-5-1 34 汽 車 氣 囊 的 保 護(hù) 作 用 使 用 加 速 度 傳 感 器 可 以 在 汽 車 發(fā) 生 碰撞 時(shí) ， 經(jīng) 控 制 系 統(tǒng) 使 氣 囊 迅 速 充 氣 。 2021-5-1 35 汽 車 氣 囊 對(duì) 駕 駛 員 的 保 護(hù) 作 用 2021-5-1 36 3

17、. 應(yīng)用 -電容式測(cè)厚儀 n 在 被 測(cè) 帶 材 的 上 下 兩側(cè) 各 裝 設(shè) 一 塊 面 積 相等 且 與 帶 材 距 離 相 等的 極 板 ， 這 樣 兩 極 板與 帶 材 之 間 形 成 兩 個(gè)電 容 C1、 C2。 1-帶 材 2-軋 輥 3-工 作 電 極 帶 材 在 軋 制 過(guò) 程 中 若 發(fā) 生 厚 度 變 化 ， 將 引 起 電容 的 變 化 ， 再 調(diào) 頻 測(cè) 量 電 路 將 電 容 的 變 化 檢 測(cè)出 來(lái) ， 經(jīng) 過(guò) 單 片 機(jī) 處 理 ， 即 可 由 顯 示 面 板 顯 示出 帶 材 厚 度 的 變 化 。 2021-5-1 37 2021-5-1 38 2021-5-

18、1 39 一 、 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(cè) 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 2021-5-1 40 電 容 式 液 位 限 位 傳 感 器 液 位 限 位 傳 感 器 與 液位 變 送 器 的 區(qū) 別 在 于 ： 它不 給 出 模 擬 量 ， 而 是 給 出開 關(guān) 量 。 當(dāng) 液 位 到 達(dá) 設(shè) 定值 時(shí) ， 它 輸 出 低 電 平 。 但也 可 以 選 擇 輸 出 為 高 電 平的 型 號(hào) 。 202

19、1-5-1 41 液 位 限 位 傳 感 器的 設(shè) 定 智 能 化 液 位 傳 感 器 的 設(shè)定 方 法 十 分 簡(jiǎn) 單 ： 用 手 指 壓 住 設(shè) 定 按 鈕 ，當(dāng) 液 位 達(dá) 到 設(shè) 定 值 時(shí) ， 放 開按 鈕 ， 智 能 儀 器 就 記 住 該 設(shè)定 。 正 常 使 用 時(shí) ， 當(dāng) 水 位 高于 該 點(diǎn) 后 ， 即 可 發(fā) 出 報(bào) 警 信號(hào) 和 控 制 信 號(hào) 。 設(shè) 定 按 鈕 2021-5-1 42 智 能 化 液 位 限 位 傳 感 器 的 設(shè) 定 按 鈕 超 限 燈正 常 工 作指 示 燈設(shè) 定 按 鈕電 源 指 示 燈 2021-5-1 43 四 、 電 容 式 油 量 表

20、機(jī) 械 式 油 量 表 ： 在 油 箱 內(nèi) ， 裝有 類 似 衛(wèi) 生 間 水 箱里 的 浮 球 ， 通 過(guò) 杠桿 帶 動(dòng) 電 阻 絲 式 圓盤 電 位 器 ， 由 電 流表 指 示 出 油 量 。 2021-5-1 44 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 m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)

21、 RP阻 值 達(dá) 到 一 定 值 時(shí) ， 電 橋 又 達(dá)到 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 ） 。 該 油 量表 屬 于 開 環(huán)系 統(tǒng) 還 是 閉環(huán) 系 統(tǒng) ？ 2021-5-1 45 電 容 式 接 近 開 關(guān) 在 物 位 測(cè) 量 控 制中 的 使 用 演 示 2021-5-1 46 不 同 材 料 的 非 金 屬 檢 測(cè) 物 對(duì) 電 容 式 接近 開 關(guān) 動(dòng) 作 距 離 的 影 響 2021-5-1 47 電容式濕度傳感器n 以 鋁 棒 和 能 滲 透 水 的 黃 金 膜 為極 板 ， 極 板 間 充 以 氧 化

22、鋁 微 孔介 質(zhì) 。n 多 孔 氧 化 鋁 可 以 從 含 有 水 分 的氣 體 中 吸 收 水 蒸 氣 或 從 含 水 液體 介 質(zhì) 中 吸 收 水 分 ， 吸 水 以 后 ，極 板 間 的 介 電 常 數(shù) 發(fā) 生 變 化 ，電 容 量 隨 之 改 變 。 1-電 極 引 線 2-鋁 棒 3-多 孔 氧 化 鋁 4-黃 金 膜 2021-5-1 48 電容式指紋識(shí)別傳感器 筆 記 本 指紋 識(shí) 別 汽 車 防 盜指 紋 識(shí) 別 指 紋 識(shí)別 手 機(jī) 2021-5-1 49 本 章 作 業(yè)習(xí) 題P45第 2題 、 8題 ， 4、 5、 6題 （ 選 做 ） 2021-5-1 50 休 息 一 下