6.参量传感器之电容式(超声波)

第6章电容式传感器、超声波传感器及液位的检测电容式传感器电容传感器液位计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。一、工作原理及结构形式0rAACdd电容传感器的理想公式为d——极板间距离；A——极板面积；ε——电容极板间介质的介电常数；εr——相对介电常数电容式传感器ε0——真空的介电常数。改变d、A、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。电容传感器声波测量动画演示1．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设ε和A不变，初始状极距为d0时，电容器容量为C0。若动极板有位移，使极板间距离减小x，则电容则增大到cx。变极距式电容传感器结构及特性曲线结构示意图1－定极板2－动极板电容量与极板距离的关系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。2．变面积式电容式传感器图a是平板直线位移式变面积型传感器，极板尺寸如图所示，动极板做直线运动，改变了两极板的相对面积，引起了电容量的变化。当动极板随被测物体产生位移x后。此时的电容量为图b是同心圆桶式变面积型传感器，外圆桶不动，内圆桶在外圆桶内做上、下直线运动。设内、外圆桶的半径分别为r、R，内、外圆桶原来的重叠长度为h。当内桶向下产生位移后x，两个同心圆桶的重叠面积减小，引起了电容量随之减小。此时的电容量为)1()ln()(20hxCrRxhCx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检测直线位移、角位移、尺寸等参量。xθa))/1()/1(00qqCdSCdSCx图C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。设两极板初始重叠角度为，动极板随被测物体带动产生一个角位移，两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q3．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由于各种介质的介电常数的不同，如果在电容器的极板之间插入不同的介质，电容器的电容量就会变化。常被用来测量液体的液位和材料的厚度。还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、改变而改变来测量温度、湿度等。右图为电容液位计原理图。当被测绝缘液体的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两极间不同介质的高度发生变化，从而导致总电容量改变。0022()ln(/)ln(/)HhCAKhDdDd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，可由以下表达式表示：xCAkh其中A、B均为与结构和介质有关的常数例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。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(pF/L)。解：pFmmpFrrHC46.415ln2.1)/85.8(2ln2120min0max21241.462.187.07lnrHCpFpFrrLmmHdV6.2352.14)5.0(422LpFLpFpFVCCK/19.06.23546.4107.87minmax三种电容式传感器比较表类型变间隙变面积变介电常数应用场合线位移角位移或较大线位移物位、湿度、密度是否线性非线性关系。灵敏度也不是常数。线性关系线性关系1．变压器电桥电路22UUUxCoCCCCCCxx02012122xxxCCCUUZZZ＝二、测量转换电路12122xxxxCCUCC＝2121112xxxUUjCjCjC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。对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：），（其中ddACddACxx020102oUdUd优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系转化为位移与输出电压的线性关系。02oUCUC可得：2．调频电路012xfLC图为一种差动脉冲宽度调制电路。图中C1和C2为传感器的两个差动电容。线路由两个电压比较器A1和A2，一个双稳态触发器和两个充放电回路R1C1和R2C2(R1=R2)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。当接通电源后，若触发器Q端为高电平，端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Uref相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为高电平。此时，由电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由B端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Uref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。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。当C1=C2时，Q和两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，Q、两端间的平均电压(经一低通滤波器)为QQQQ120112TTUUTT12011120CCCUUUCCC－＝＝＋3．脉冲宽度调制电路tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：①消除了非线性；②不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；③电路只采用直流电源，不需要频率发生器；④频率对输出无影响；⑤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是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。1．压力测量电容式压力传感器结构图三、电容式传感器的应用高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器内部结构图1－高压侧进气口2－低压侧进气口3－过滤片4－空腔5－柔性不锈钢波纹隔离膜片6－导压硅油7－凹形玻璃圆片8－镀金凹形电极9－弹性平膜片10－腔各种电容式差压变送器外形图利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=gh投入式电容水位计外形图家用电器压力检测示意图2．加速度测量电容传感器加速度测量动画演示电容式加速度传感器1－绝缘体2－固体电极3－质量块（动电极）4－弹簧片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）硅微加工电容加速度传感器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：M5mm线性误差：≤1%加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。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3．转速测量电容传感器转速测量动画演示电容料位测量示意图1－极棒2－容器壁4．料位和液位测量AM90系列电容物位仪聚四氟乙烯外套液位计设定按钮电容式油量表原理图5．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。调节接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。电容式接近开关外形图齐平式非齐平式M18M30Ø40mm40mmx40mm工作距离5mm10mm20mm20mm工作电压10-65VDC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC10-65VDC，20-250VAC导线数量3线制2、4线制2、4线制2、4线制输出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嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式连接电缆电缆接线端子格接线端子格接线端子格SIMATICPXC200电容式接近开关使用一览表电容式接近开关SIMATICPXC是非接触型传感器，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，如固体、粉末或液体等。奶盒中的牛奶检测电容式接近开关在液位测量控制中的使用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，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C=Q/V，所以电荷的增多，使检测电极电容C随之增大，进而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。12fLC电容式接近传感器检测的被测物体是金属导体，非金属导体不能用该方法测量。图是电容式接近传感器的电路图。C1与L1构成并联谐振电路，L2和VT形成共基接法，C4是反馈电容，C5是耦合电容，R3与C3形成去藕电路。R1和R2是偏置电阻，它们与C2形成选频网络。电位器用于调节接近距离。VD1与VD2构成检波电路。C6是检波电容，C0是接近物与金属棒形成的电容。若被测物接近金属棒，C0变大，与C4并联后使反馈电容增加，从而减弱振荡，经VD1，VD2检波后，输出的电压为低电平。否则，振荡器正常振荡，输出高电平。电容式接近传感器电路图电容指纹识别动画演示6．其它测量电容角位移测量动画演示电容传感器地应力测量动画演示电容地应力传感器安装动画演示三星SPH－V6800手机采用电容传感器控制某些功能，取代了部分机械按键超声波传感器超声波传感器P53一、超声波的传输特性1.什么是超声波？人耳能够听到的机械波，频率在16Hz～20kHz之间，称为声波。人耳听不到的机械波，频率高于20kHz的称为超声波；超声波的频率越高，就越接近光学的反射、折射等特性。频率低于16Hz的称为次声波。2．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：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播；2）横波：质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体中传播；3）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。3.超声波的特点（1）传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比，即声速为C=λf式中，λ为超声波的波长；f为超声波的频率。（2）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。如平面波传播时的衰减公式可写作Ix=I0e-2αx。其中，I0为声源处的声强;Ix为距声源x处的声强;α为衰减系数（单位为1×10-3dB/mm），水和一般低衰减材料的的取值α为1～4。（3）超声波的反射与折射：当超声波从一种介质传播到另一种介质时，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、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）反射定律入射角α的正弦与反射角α‘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于一种介质中时，因波速相同，则反射角α‘等于入射角α。αα'β介质I介质II（4）超声波的波形转换：若选择适当的入射角，使纵波全反射，那么在折射中只有横波出现；如