《傳感器及檢測技術》PPT課件

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1、2021-5-1 1 上 節(jié) 回 顧 :本 節(jié) 主 要 內 容 :1.電 容 傳 感 器1.電 阻 應 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 習 電 容 傳 感 器 的 原 理 及 應用 ， 還 涉 及 壓 力 、 液 位 及 流 量 的 測 量方 法 。 2021-5-1 3 簡 介n 電 容 式 傳 感 器 是 將 被 測 非 電 量 （ 如 尺 寸 、 壓 力 等 ）的 變 化 轉 換 為 電 容 量 變 化 的 一 種 傳 感 器 。 壓 差 變

2、送 器 接 近 開 關 三 軸 加 速 度 傳 感 器 物 位 開 關 2021-5-1 4 第 一 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 工 作 原 理及 結 構 形 式 上 式 中 ， 哪 幾 個 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 構 形 式 改 變 A、 d、 三 個 參 量 中 的 任 意 一 個 量 ， 均 可 使平 板 電 容 的 電 容 量 C 改 變 。 固 定 三 個 參

3、量 中 的 兩 個 ， 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 構 ， 其 中 極 板 1可 以 左 右 移 動 ，稱 為 動 極 板 。 極 板 2固 定 不 動 ， 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 ， 內 圓 筒 在 外 圓 筒 內 作 上 、 下 直線 運 動 。 圖 c是 一 個 角 位 移 式 的 結 構 。 極 板 2的 軸 由 被 測 物 體 帶動 而 旋 轉 一 個 角 位 移 度 時 ， 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 直 線 位移 、 角 位 移 、 尺 寸 等 參 量 。 請 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 動 極 板 受 被 測 物 體 作 用 引 起 位 移 時 ，改 變 了 兩 極 板 之 間 的 距 離 d， 從 而 使 電 容 量發(fā) 生 變 化 。 實 際 使 用 時 ， 總 是 使 初 始 極 距 d0盡 量小 些 ， 以 提 高 靈 敏 度 ， 但 這 也 帶 來 了 變 極距 式 電 容 器 的 行 程 較 小 的 缺 點 。 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 使 當 d 0小些 還 是 大 些 ？ 當 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 的 初 始 極 距 d0較小 時 ， 它 的 測 量 范 圍 變 大 還 是 變 小 ？ a） 結 構 示 意 圖 b） 電 容 量 與 極 板 距 離 的 關 系1定 極 板 2動 極 板 2021-5-1 11 三 、 變 介 電 常 數(shù) 式 因 為 各 種 介 質 的 相 對 介 電 常 數(shù) 不 同 ， 所 以 在 電容 器 兩 極 板 間 插 入 不 同 介 質 時 ， 電 容 器 的 電 容 量 也就 不 同 。 表 5-1 幾 種 介 質 的 相 對 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 對 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 ， 哪 一 種 情 況 下 的 電 容 量 大 ？ 可 以 用 于 測 量 什 么非 電 量 ？ 2021-5-1 13 第 二 節(jié) 電 容 式 傳 感 器 的 測 量 轉 換 電 路 2021-5-1 14 測量轉換電路-電橋 n Cx為 電 容 傳 感 器 ， 沒有 變 化 時 ， 輸 出 電 壓 U0=0。 n Cx變 化 時 ， U0 0， 由此 可

8、 測 得 電 容 的 變 化值 。 321 CCCC x 相 鄰 的 兩 臂 接 入差 動 式 電 容 傳 感器 。 空 載 時 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 量 轉 換 電 路 （ 調 頻 電 路 ） 調 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 電 容 傳 感 器 工 作 時 ， 電 容 Cx 發(fā)生 變 化 ， 就 使 振 蕩 器 的 頻 率 f 產(chǎn) 生 相

9、應 的 變 化 。 式 中 哪 些 量 是 變 量 ？ 01 5-22f L C 2021-5-1 20 調 頻 式 測 量 轉 換 電 路 n 當 輸 入 量 導 致 傳 感 器 的 電 容 量 發(fā) 生 變 化 時 ， 振 蕩 器的 振 蕩 頻 率 也 相 應 地 變 化 ， 即 振 蕩 器 頻 率 受 傳 感 器輸 出 電 容 的 調 制 ， 故 稱 調 頻 式 。 n 在 實 現(xiàn) 了 電 容 到 頻 率 的 轉 換 后 ， 再 用 鑒 頻 器 把 頻 率的 變 化 轉 換 為 幅 度 的 變 化 ， 經(jīng) 放 大 后 輸 出 ， 進 行 顯示 和 紀 錄 2021-5-1 21 調 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 算 放 大 器 式 測 量 轉 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 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 用 電 容 器 的 容 量 受 三 個 因

11、 素 影 響 ， 即 ： 極 距 x、相 對 面 積 A 和 極 間 介 電 常 數(shù) 。 固 定 其 中 兩 個 變 量 ， 電 容 量 C 就 是 另 一 個 變 量 的 一 元 函 數(shù) 。 只 要想 辦 法 將 被 測 非 電 量 轉 換 成 極 距 或 者 面 積 、 介 電常 數(shù) 的 變 化 ， 就 可 以 通 過 測 量 電 容 量 這 個 電 參 數(shù)來 達 到 非 電 量 電 測 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 量 膜 片 （ 動 電極 ） 5-固 定 電 極 結構 外形 應

12、用測量液位 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 細加 工 技 術 為 基 礎 ， 既 能 測 量 交變 加 速 度 （ 振 動 ） ， 也 可 測 量慣 性 力 或 重 力 加 速 度 。 其 工 作電 壓 為 2.7 5.25V， 加 速 度 測量 范 圍 為 數(shù) 個 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 指 標 ： 靈 敏 度 ：

13、 500mV/g ， 量 程 ： 10g， 頻 率 范 圍 ： 0.5-2000H z，安 裝 諧 振 點 :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 試 單 元 2信 號 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 ， 可 以 將 一 塊 多 晶 硅 加

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

15、 做 在 同 一 殼 體 內 ， 所 以 集 成 度 很 高 。 由于 硅 的 彈 性 滯 后 很 小 ， 且 懸 臂 梁 的 質 量 很 輕 ， 所 以 頻 率 響 應 可達 1kHz以 上 ， 允 許 加 速 度 范 圍 可 達 10g 以 上 。 如 果 在 殼 體 內 的 三 個 相 互 垂 直 方 向 安 裝 三 個 加 速 度 傳 感器 ， 就 可 以 測 量 三 維 方 向 的 振 動 或 加 速 度 。 2021-5-1 33 加 速 度 傳 感 器 在 汽 車 中 的 應 用 加 速 度 傳 感 器 安 裝 在 轎 車 上 ， 可 以 作 為 碰 撞 傳 感 器 。 當 測得

16、 的 負 加 速 度 值 超 過 設 定 值 時 ， 微 處 理 器 據(jù) 此 判 斷 發(fā) 生 了 碰 撞 ， 于 是 就 啟 動 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 作 用 使 用 加 速 度 傳 感 器 可 以 在 汽 車 發(fā) 生 碰撞 時 ， 經(jīng) 控 制 系 統(tǒng) 使 氣 囊 迅 速 充 氣 。 2021-5-1 35 汽 車 氣 囊 對 駕 駛 員 的 保 護 作 用 2021-5-1 36 3

17、. 應用 -電容式測厚儀 n 在 被 測 帶 材 的 上 下 兩側 各 裝 設 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 個電 容 C1、 C2。 1-帶 材 2-軋 輥 3-工 作 電 極 帶 材 在 軋 制 過 程 中 若 發(fā) 生 厚 度 變 化 ， 將 引 起 電容 的 變 化 ， 再 調 頻 測 量 電 路 將 電 容 的 變 化 檢 測出 來 ， 經(jīng) 過 單 片 機 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 棒 狀 電 極 （ 金 屬 管 ） 外面 包 裹 聚 四 氟 乙 烯 套 管 ， 當被 測 液 體 的 液 面 上 升 時 ， 引起 棒 狀 電 極 與 導 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 量 。 當 液 位 到 達 設 定值 時 ， 它 輸 出 低 電 平 。 但也 可 以 選 擇 輸 出 為 高 電 平的 型 號 。 202

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

20、機 械 式 油 量 表 ： 在 油 箱 內 ， 裝有 類 似 衛(wèi) 生 間 水 箱里 的 浮 球 ， 通 過 杠桿 帶 動 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 油 箱 中 注 滿 油 時 ， 液 位 上 升 ， 指 針 停 留 在 轉 角 為 m處 。當 油 箱 中 的 油 位 降 低 時 ， 電 容 傳 感 器 的 電 容 量 Cx減 小 ， 電 橋 失去 平 衡 ， 伺 服 電 動 機 反 轉 ， 指 針 逆 時 針 偏 轉 （ 示 值 減 小 ） ， 同時 帶 動 RP的 滑 動 臂 移 動 。 當

21、 RP阻 值 達 到 一 定 值 時 ， 電 橋 又 達到 新 的 平 衡 狀 態(tài) ， 伺 服 電 動 機 停 轉 ， 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 在 物 位 測 量 控 制中 的 使 用 演 示 2021-5-1 46 不 同 材 料 的 非 金 屬 檢 測 物 對 電 容 式 接近 開 關 動 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 。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 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 電容式指紋識別傳感器 筆 記 本 指紋 識 別 汽 車 防 盜指 紋 識 別 指 紋 識別 手 機 2021-5-1 49 本 章 作 業(yè)習 題P45第 2題 、 8題 ， 4、 5、 6題 （ 選 做 ） 2021-5-1 50 休 息 一 下