自动检测技术及应用 教学课件 作者 梁森_ 5检测教案，第五章.doc

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1、自动检测技术课程授课教案第五章电容传感器课题：电容传感器的原理及应用课时安排：4课次编号：8~9教材分析难点：流量的测量重点：电容传感器的应用教学目的和要求1、了解电容传感器的工作原理；2、掌握电容传感器的应用；3、了解电容接近开关的原理及应用；4、了解流量的测量方法。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：各种电容传感器各教学环节和内容演示：做以下的实验：将两片直径为30mm的圆形铜片相互接近，用万用表的电容1000pF量程，测量两者之间的电容量。可以看到：随着两者的靠近，电容量从0pF，逐渐增大。在短路之前，大约可增大到30pF。请学生在两者之

2、间逐渐插入塑料薄膜，可以观察到：电容量逐渐增大，到40pF左右。保持两者的距离，将这两片铜片向水平方向分开，可以看到：万用表所指示的电容量逐渐减小。从以上演示，引入第一节的电容传感器工作原理。第一节电容传感器的工作原理及结构形式平板电容器的电容量为(5-1)式中A——两极板相互遮盖的有效面积；d——两极板间的距离，也称为极距；ε——两极板间介质的介电常数；εr——两极板间介质的相对介电常数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.85´10-12(F/m)。分析式（5-1）得出结论：在A、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，电容量C

3、是A、d、ε的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。一、变面积式动极板1可以左右移动，称为动极板；极板2固定不动称为定极板。根据式（5－1）可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，7自动检测技术课程授课教案多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。二、变极距式变极距式电容传感器结构如图5-3所示。图中1为定极板，2为动极板。当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。请学生分析图5－3，可以得到3个以上的结论：1、初始极距小，灵敏度高。2、非线性（缺点）；3、行程较

4、小（两块极板短路）。图5-3变极距式电容传感器a）结构示意图b）电容量与极板距离的关系1－定极板2－动极板3－弹性膜片差动电容传感器：请学生打开对比P62，图3－3，以及P99，图5－4。从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差动电容传感器的好处：1、优点：提高传感器的灵敏度，减小非线性。2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消图5-4差动电容传感器结构示意图a）差动变极距式b）差动变面积式1－动极板2－定极板7自动检测技术课程授课教案三、变介电常数式表5-1几种介质的相对介电常数介质名称相对介电常数εr介质名称相对介电常数εr

5、真空1玻璃釉3~5空气略大于1SiO238其他气体1~1.2①云母5~8变压器油2~4干的纸2~4硅油2~3.5干的谷物3~5聚丙烯2~2.2环氧树脂3~10聚苯乙烯2.4~2.6高频陶瓷10~160聚四氟乙烯2.0低频陶瓷、压电陶瓷1000~10000聚偏二氟乙烯3~5纯净的水80图5-5变介电常数式电容传感器分析表5－1和图5－5，得出结论：变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ越厚，电容量也就越大。提问：湿的纸的电容量如何变化？当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数

6、εr改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（εr水>>1）时，电容量将变大。当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变大。第二节电容传感器的测量转换电路调频电路（5-2）请学生将上式以及图5-8（调频电路框图）与P64，图4－5比较。结论：式（5－2）和图5-8中，L0为常数；C为变量，其他基本相同。7自动检测技术课程授课教案分析上图中的各个方框的功能。第三节电容传感器的应用图5-5所示的简单结构就可以用于测量纸张含水量、塑料薄膜的厚度等。而图5-

7、2b所示的传感器就可以用于测量工件的尺寸，图5-2c可以用于测量机械臂的角位移。可以利用极距变化的原理，测量振动、压力；利用相对面积变化的原理，可以精确地测量角位移和直线位移，构成电子千分尺；利用介电常数变化的原理，可以测量空气相对湿度、液位、物位等。分析：电容加速度传感器、湿敏电容。重点分析：电容式油量表1、当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx=Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使调零电位器RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0。此时，电桥满足Cx/C0=R3/R4的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。1－

8、油箱2－圆柱形电容器3－伺服电动机4－减速箱5－油量