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项目四 电容式传感器的应用
一、教学目标
1.了解电容式传感器的分类。
2.了解电容式传感器的结构。
3.掌握电容式传感器的工作原理。
4.掌握电容式传感器测量直线位移的方法。
二、课时分配
本项目共2个任务，本项目安排4课时。其中理论学时2学时，实践学时2学时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生能识别电容式传感器，能根据任务要求，正确安装电容式传感器，正确完成电容式传感器测量直线位移的电路接线，正确测量直线位移并且读数正确。
四、教学难点
1.能识别电容式传感器。
2.能根据任务要求，正确安装电容式传感器。
3.正确完成电容式传感器测量直线位移的电路接线。
4.正确测量直线位移并且读数正确。
五、教学内容
任务一 电容式传感器在位移检测中的应用
一、电容式传感器工作原理
根据以前所学的电工知识，平行板电容器的电容（忽略边缘效应），为
式中：ε—极板间介质的介电常数；
，为真空中的介电常数，，为极板间介质的相对介电常数；
A—两极板所覆盖的面积；
d—两极板之间的距离；
C—电容量，单位为F。
电容式传感器主轴测量回转精度
平行板电容器
1.变极距式电容传感器
变极距式电容传感器由两块极板构成，一块是定极板，还有一块是动极板，由所示。当定极板保持不动，动极板上下移动之后，两极板之间的极距发生变化，引起电容量的变化。由于电容量与极距成反比，所以变极距式电容传感器的输出特性是非线性的，如图所示。
变极距式电容传感器结构示意图
变极距式电容传感器输出特性
差动变极距式电容传感器如下图所示，上下两块极板为定极板，中间为动极板，动极板不受外力作用时，，，差动变极距式电容传感器的电容的差值。当动极板向上移动时，所以　，所以，若动极板向下移动，则电容的变化量为原来的两倍，灵敏度也提高一倍。
差动变极距式电容传感器结构示意图
电容式微位移传感器
2.变面积式电容传感器
变面积式电容传感器分为平板型直线位移式、同心圆筒型和角位移型，如图所示。图中的三种电容式传感器的定、动极板形状不同，测量的物理量也不尽相同。
变面积式电容传感器
1—动极板2—定极板3—外圆筒4—内圆筒5—导轨
变极板面积型电容传感器还可以将极板加工为其他形状，以实现其他量的测量，但其原理、方法都是相同的，可见变极板面积式电容传感器一般可用来测角位移(一角秒至几十度)、较大线位移、尺寸等参量。如图所示就是电容式角位移传感器。
电容式角位移传感器
3.变介电常数式电容传感器
每一种物质的介电常数都不同，见表。所以在两极板间插入不同的介质，就会改变电容器的电容量。如图所示，将厚度为d2、介电常数为ε2的介质从左往右插入极板，两极板间的电容量随之发生改变。根据实验证明，电容的变化量与进入两极板间的介质的介电常数、进入的距离、介质厚度均有关。
变介电常数式电容传感器
不同材料的介电常数
从表可以看出，水的介电常数比较大，所以变介电常数电容式传感器用于检测空气湿度，也可以做成电容湿度计，如图所示。
电容湿度计
射频投入式电容液位计
二、电容式传感器的测量转换电路
1.交流电桥
交流电桥有两种接法，单臂接法和差动接法，如图所示。单臂接法是将电容传感器作为电桥的一个桥臂，差动接法是将差动式电容传感器接入电桥相邻的桥臂。
交流电桥
2.调频电路
如图所示电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容式传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器频率f产生相应的变化。由于振荡器频率受电容式传感器电容的调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。
调频电路
任务二 电容式湿敏传感器在空气湿度检测中的应用
一、湿度的表示方法
湿度是指大气中水份的含量，通常采用绝对湿度、相对湿度及露点几种方法表示，湿度是指单位体积中所含水蒸汽的含量或浓度，用符号AH表示。
绝对湿度是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。相对湿度是指被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸汽压的百分比，用符号％RH表示，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态，水开始从气态变成液态而凝结成露珠，这种现象称为结露，这一特定温度就称为露点温度。
二、湿敏传感器的分类
湿敏传感器就是一种能将被测环境湿度转换成电信号的装置。主要由两个部分组成：湿敏元件和转换电路，除此之外还包括一些辅助元件。
湿敏传感器按照材料可以分成陶瓷式、高分子式、半导体式、电解质式等，按照输出的电学量分类可以分成电阻式、电容式、频率式等。
三、常用的湿敏传感器
1.电解质式（氯化锂）电阻湿敏传感器
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。电解质式湿敏电阻结构如图所示。它由引线、基片、感湿层与电极组成。
电解质式湿敏电阻结构示意图
1-引线2-基片3-感湿层4-金电极
氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%。缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量， 器件性能重复性不理想，使用寿命短。
2.陶瓷式电阻湿敏传感器
陶瓷式电阻湿敏传感器是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有系、 等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。陶瓷式湿敏电阻结构如图所示。
陶瓷式湿敏电阻结构示意图
3.高分子式电容湿敏传感器
高分子式电容湿敏传感器是利用高分子材料构成的湿敏电容的介质，电容的介电常数会随湿度变化，引起电容量发生变化从而进行湿度测量。。
如图所示为高分子电容式湿敏传感器的结构。它是在绝缘衬底上，蒸镀一层厚度约1μm的叉指形金电极，在其表面上均匀涂覆（或浸渍）一层的感湿膜，在感湿膜的表面上再蒸镀一层多孔性金薄膜，构成一个对湿度敏感的平板形电容器。
高分子电容式湿敏传感器结构
当被测环境中的水分子沿着多孔的透明金薄膜构成的电极很顺利的进入感湿膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间成正比关系，线性度约±1%，如图所示。
高分子电容式湿敏传感器相对湿度与电容关系
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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