检测与传感第五章(2)

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 。 如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，侧面气 囊膨胀。
汽车气囊对驾驶员的保护作用
电容式加速度传感器的主要特点是: 频率响应快和量程范围大; 大多采用空气作阻尼物质。
3. 电容测厚仪
电容测厚仪是用来测量 金属带材在轧制过程中的厚 度的仪器，其工作原理右图 所示。 1—金属带材，2—电容极板，3—传动轮，4—轧辊。 a．电容测厚仪结构 在被测金属带材的上、下两侧各安装一块面积相等、 与带材距离相等的极板，并把这两快极板用导线连接起来， 作为传感器的一个电极板，而金属带材就是电容传感器的 另一个极板。
控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、
复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。 电容式接近开关 涡流式接近开关 霍尔接近开关 光电式接近开关 超声波接近开关 微波接近开关
电容式接近开关 a．结构 放大、整形及输出等部分组成。 其中装在传感器主体上的金属板为定板，而被测物
p2
p1Βιβλιοθήκη 金属镀层 凹形玻璃 膜片过滤器
差 动 式 电 容 压 力 传 感 器 结 构 图
图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀 层为固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时， 所形 成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容 值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流 或电压的变化。
以电极为检测端的静态感应方式，由高频振荡、检波、
体上的相对应位置上的金属板相当于动板。 b．工作原理
当被测物体接近开关的作用表面时由于两者之间的 距离发生了变化，回路中的电容量将发生变化，使得高
频振荡器的振荡减弱直至停振。
振荡器的振荡及停振这两个信号是由电路转换成开 关信号后送至后续开关电路，从而完成传感器按预先设
适用于恶劣的使用环境和耐用度要求极高的应用 领域
装有多种碰撞参 数测量传感器的 假人
气囊
加速度传感器在汽车中的应用
当测得的负加速度值超过设定值时，气囊电控单元据此判断 发生了碰撞，就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀， 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
汽 车 气 囊 的 膨 胀 状 态
图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压; Uo是输
出信号电压; Σ是虚地点。
由运算放大器工作原理可得 ：
C Uo Ui Cx
如果传感器是一只平板电容，则Cx=εA/d，代入上式，可得：
C U o U i d A
式中“-”号表示输出电压 Uo的相位与电源电压反相。上式
b．原理 其总的电容量 C 就应是两个极板间的电容之和（C = C1 + C2）。 如果带材的厚度发生变化，用交流电桥电路就可将这 一变化检测出来，然后再经过放大就可在显示仪器上把带
材的厚度变化显示出来。
4. 电容式接近开关
接近开关也叫近接开关，又称无触点行程开关，它除可以完成
行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测 零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面
5.5 电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相
对面积A 和极间介电常数 。固定其中两个变 量，电
容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被
测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就 可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的 目的。
1. 电容式压力传感器
外壳
4. 脉冲宽度调制电路 a．原理 脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充、放电， 使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变 化，并通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。
脉冲宽度调制电路如下图所示。
脉冲调制电路的输出波形 a）C1=C2时的波形 b）C1>C2时的波形
b. 特点
说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 【注】：这种测量电路最大的特点在于能够克服变极距 型电容传感器的非线性！
3. 二极管双T形交流电桥 下图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频
电源，它提供了幅值为 U的对称方波， VD1、VD2为特性
完全相同的两只二极管，固定电阻 R1=R2=R ， C1 、 C2 为 传感器的两个差动电容。
导电液体之间的电容变大。
聚四氟乙烯外套
液位限位传感器与液
位变送器的区别在于：它 不给出模拟量，而是给出
开关量。当液位到达设定
值时，它输出低电平（或 高电平）。
电容式液位限位传感器
设定按钮
智能化液位传感器的设 定方法： 用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放 开按钮，智能仪器就记住
该设定。正常使用时，当
7. 电容式传感器在收音机中的应用
电容器在收音机中用于调整所要接收的电台的频率
电容量越大，所接收到的电台的频率就越低
例：有一台变间隙非接触式电容测位移，其传感器的极板半径r=4mm，假 设与被测工件的初始间隙d0=0.3mm。试求：传感器与工件的间隙变化量 △d=±10µm，电容变化量为多少? 解：由题意可求 0S 0r 2 （1）初始电容： C 0
检测与传感技术
上节内容复习 第5章 电容式传感器
1. 原理 被测量 电容变化 2. 特点 体积小、非接触 与电感式的区别：
电感多对金属物测量 （抗干扰能力差） 电容对金属、非金属
4. 电容式传感器分类 电压
电流 变极距型
变面积型 变介质型 5. 非线性误差
C d C0 d0
C x C0 a C r 2 r1 L C0 r1 L0
2. 电容式加速度传感器
4 3 1 —固定电极； d2 d1 6 2 C2 5 C1 2 —绝缘垫； 3 —质量块； 4 —弹簧； 5 —输出端； 6 —壳体
差动式电容加速度传感器结构图
1
当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块 在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产 生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化， 一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量， 此增量正比于被测加速度。
变极距型：电容C与距离的变换量d 为非线性关系，只有 在 d d0 很小的时候，才可以近似为线性关系（极板的最大 位移应小于 d0 10 ），故主要应用在微位移的测量。 变面积型：电容C与水平位移呈线性关系，它的测量原理 是通过动极板的移动引起两极板有效覆盖面积改变，从而 引起电容量的改变，可用来测量角位移的变化。 变介电常数型：电容C的变化与第二种插入介质的移动量L 呈线性关系，可用来进行厚度检测和湿度检测等。
Colibrys MS9000系列是一个电容式MEMS加 速度计，它是由一个立体微加工工艺支撑的硅 元件，一个低功耗ASIC专用信号处理器和一个 存储补偿值的微控制器以及一个温度传感器等 元件组成。该产品是一个低功耗的、校准的、 功能强大和性能稳定的产品，其电子配置中带 有一个电源重置以防止电压不稳的全保护装 置。 超小型，8.9mm x 8.9mm 具有从±2g到±250g广泛的加速度测量范围 可在较大的温度范围应用 器件零位稳定保证在几mg以内
式中, f为电源频率。
（5-34）
当RL已知，式（5-34）中:
RR 2 RL RL M 2 R RL
则式(5-34)可改写为:
Uo = UfM (C1 - C2 )
（5-35）
从式（5-35）可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅 值和频率有关，而且与T形网络中的电容 C1和C2的差值 有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的 函数。
置的条件发出信号，控制或检测机电设备，使其正常工
作的任务。
1－被测物 2－上检测极板（或内圆电极） 3－下检测极板（或外圆电极） 4－充填树脂 5－测量转换电路板 6－塑料外壳 7－灵敏度调节电位器RP 8－动作指示灯 9－电缆 UR－比较器的基准电压
工作原理: 电容接近开关的感应板由两个同心圆金属平面电极构成。 当没有被测物体靠近电容接近开关时，由于C1与C2很小， RC振荡器停振。当被测物体朝着电容接近开关的两个同心 圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成电容C，接到RC 振荡回路中，等效电容C等于C1、C2的串联结果。
d0 d0 8.85 1012 4 103 0.3 103 1.48 1012 F 1.48 pF


2
由 C d ，则当Δd=±10µ m时
C0
d 10 103 C C0 1.48 0.049pF d0 0.3
d0
如果考虑d1=0.3mm+10µm与d2=0.3mm﹣10µ m之间的电容变 化量ΔC′，则应为： ΔC′=2|ΔC|=2×0.049=0.098pF
第五章 习题
5-1 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每 种类型各有什么特点？各适用于什么场合？
答：电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常 数型三种。
当C增大到设定数值后，RC振荡器起振。振荡器的高
频输出电压uo经二极管检波和低通滤波器，再经直流电 压放大电路放大后，Uo1与灵敏度调节电位器RP设定的基 准电压UR进行比较。若Uo1超过基准电压时,比较器翻转, 输出动作信号(高电平或低电平),从而起到了检测有无物 体靠近的目的。
齐平式
非齐平式 电容式接近开关外形
水位高于该点后，即可发 出报警信号和控制信号。
正常工作指 示灯 电源 指示 灯
超限灯
设定按钮
智能化液位限位传感器的设定按钮
6. 电容式油量表
机械式油量表：
在油箱内，装有类似卫 生间水箱里的浮球，通过 杠杆带动电阻丝式圆盘电 位器，由电流表指示出油 量。