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1、任课老师授课班级12秋机电(1)、（2）班课时支配4个课时专业、层次中职课题内容模块二 力传感器任务3 电容式传感器教学重点1电容式传感器的工作原理与分类方法。教学难点1 电容式传感器的测量电路。2 电容式传感器典型应用的工作原理。课程目的1学会电容式传感器测力的工作原理。2熟识电容式传感器在实际应用中的工作特点。课的类型新授课教学策略讲授法、多媒体教学教学方法与手段讲授、问答等教学过程设计教学过程及时间安排教学内容教学方法的运用一、组织教学1、点名检查学生出勤状况。2、填写教学记录表。二、导入新课三、 新课讲授一、电容式传感器简介：电容式传感器是一种将被测非电量的变更转换成电容量变更，再通过
2、测量电路检测出电容量的变更，转换成电压或电流输出，就可以做出测量力、压力、位移的电容式传感器。电容式传感器具有灵敏度高、稳定性好、构造简洁、运用寿命长以及可以进展非接触测量等特点，特别合适在高潮湿、高尘埃及超凹凸温等恶劣环境下长期运用，二、电容式传感器的工作原理与分类：1、 工作原理：中间是绝缘介质的两个平行金属板组成的平板电容器。 (2-6)式中 S 极板相对覆盖面积；d 极板间间隔 ；r相对介电常数；0真空介电常数； 电容极板间介质的介电常数。图2-10 平板电容器 若保持式（2-6）中其中两个参数不变，仅变更其中一个参数，就可把该参数的变更转换为电容量的变更，再通过测量电路就可转换为电压
3、或电流输出。1、 分类：依据变更电容量的方法不同，电容式传感器可分为变间隙式、变面积式与变介电常数式三种。1） 变间隙式电容传感器：两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量C随极距d按非线性关系变更。变间隙式电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。但极距过小，简洁引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采纳高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。 图2-11 变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变更。2） 变面积式电容传感器：面积变更式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变更使其有效作用面积发生变
4、更。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可挪动的，称为动极板。变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一常数。图2-12 变面积式电容传感器变面积式电容传感器一般用来测量角位移或较大的线位移。3） 变介电常数式电容传感器：变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变更使其极板之间的介质状况发生变更。主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变更，如介质厚度、介质湿度、液位等。 传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h图2-13 变介电常数式电容传感器三、电容材料：常见的电容材料：云母电容：
5、用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板，极板与云母一层一层叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成。它的特点是介质损耗小，绝缘电阻大、温度系数小，相宜用于高频电路。陶瓷电容：用陶瓷做介质，在陶瓷基体两面喷涂银层，然后烧成银质薄膜做极板制成。它的特点是体积小，耐热性好、损耗小、绝缘电阻高，但容量小，相宜用于高频电路。铁电陶瓷电容：容量较大，但是损耗与温度系数较大，相宜用于低频电路。薄膜电容：构造与纸介电容一样，介质是涤纶或者聚苯乙烯。涤纶薄膜电容，介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，相宜做旁路电容。 聚苯乙烯薄膜电容，介质损耗小，绝缘电阻高，但是温度系数大，可用于高频电路。四、电容式传
6、感器的测量电路：在电容式传感器中，电容的变更量特别微小，这样微小的变更量根本不能干脆用显示仪表显示，而且不便利传输，因此必需借助于测量电路检测出电容的微小变更量，并将其转换成与之对应的电压或电流信号，以便于记录、传输、显示与限制。用于电容式传感器的测量电路有许多种，常见的有桥式电路、运算放大器电路、调频电路等。1） 桥式电路：将电容式传感器接在电桥的一个桥臂或两个桥臂上，其他桥臂是固定电阻、电容或电感，就可以构成单臂电桥或双臂电桥的测量电路。图2-14为差动双臂电桥，变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的4个桥臂，由高频稳幅的沟通电源为电桥供电。电桥的输出
7、为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量变更相对应的输出，最终为仪表显示记录。 图2-14 差动双臂电桥 初始状态时，电桥处于平衡状态，；当电容式传感器发生变更时，电桥失去平衡而有电压输出。差动双臂电桥的输出电压是单臂电桥输出电压的两倍。2） 运算放大器电路：运算放大器的放大倍数特别大，而且输入阻抗很高，利用这些特点可以把它作为电容式传感器的比拟志向的测量电路。如图2-15所示，将电容式传感器跨接在运算放大器的输入端与输出端之间，作为电路的负反应元件，图中，Cx是传感器电容，C是固定电容，U0是输出电压信号。图2-15 运算放大器测量电路经推导，得： （2-7） 式中可知，变间隙式电
8、容传感器的电容与极距之间的关系为反比关系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大器的反相比例运算可以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个测试装置的非线性误差得到很大的减小。3） 调频电路：调频测量电路如图2-16所示，它把电容式传感器与一个电感元件并联在一起构成一个振荡器的谐振电路。被测量的变更引起传感器电容的变更，继而导致振荡器谐振频率的变更。频率的变更经过鉴频器转换成电压的变更，经过放大器放大后，即可用仪器指示或记录仪记录下来。图2-16 调频电路 调频测量电路的主要优点是抗外来干扰实力强，特性稳定，并且能获得较高的直流输出信号。五、 电容式传感器的应用：电容式传感器
9、不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精细测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。1） 电容式差压传感器：如图2-17所示，当被测压力通过过滤器6进入空腔5时，金属弹性膜片1在两侧压力差作用下，将凸向压力低的一侧。膜片与两个镀金玻璃圆片2之间的电容量发生变更，由此可测得压力差。这种传感器辨别率很高，常用于气、液的压力或压差及液位与流量的测量。 图2-17 电容式差压传感器2） 电容式接近开关：图2-18 电容式接近开关检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与
10、大地间的电容量C特别小，它与电感L构成高品质因数（Q）的LC振荡电路，Q=1（CR）。当被检测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）时，检测极板对地电容C增大，LC振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停振。 当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它旁边产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分别，使检测极板的对地等效电容量增大，使LC振荡电路的Q值降低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机物），它在高频交变极化过程中是须要消耗肯定能量的，该能量是由LC振荡电路供应的，必定使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到肯定间隔 时，振荡器的Q值低到无法维持振荡而停振。依据输出电压U0的大小，可大致断定被测物接近的程度。四、随堂练习练习题五、总结学问小结六、课后作业课本P43教学后记