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1、项目4 测厚仪的制作 液位及厚度检测,黄冈职业技术学院,传感器应用,项目要求： 1、制作一个测厚仪，要求测量精度为1um。 2、利用数码管显示测量值。,知识目标： 1、掌握光纤传感器的工作原理与使用方法 2、掌握电容传感器的原理及常用方法 3、掌握微波传感器测厚度的方法 能力目标： 1、能熟练使用电容传感器进行厚度测量 2、能熟练使用微波传感器进行厚度测量 素质目标： 1、培养耐心细致的工作态度 2、培养严谨扎实的工作作风 3、培养团结协作的合作能力,项目,项目目标：,项目内容导航,知识点： 1、光纤传感器测量液位 2、电容传感器测液位与厚度 3、微波传感器测厚度 电路组装与调试 考核 拓展训
2、练,光纤传感器,一、光纤传感器概述,工作原理： 它以光学测量为基础，把被测量的变量状态转换为可测的光信号。 优点： 抗电磁干扰能力强。 灵敏度高。 电绝缘性能好。 重量轻，体积小。光纤柔软，可挠性好。 适于遥控。 耐腐蚀，耐高温，防燃防爆。 应用领域： 光纤传感器可广泛应用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电声、磁场、放射性射线等物理量的测量。,光纤传感器,（一）光纤的结构及种类,光导纤维简称光纤，是一种经特别的工艺拉制的、能传输光信息的导光纤维。它主要由高强度石英玻璃、常规玻璃和塑料制成。,光纤的结构图,光纤传感器,（一）光纤的结构及种类,光纤的种类主要有三种： （1）阶跃
3、型 如图（a）所示，阶跃型多模光纤折射率不随半径变化，各点分布均匀一致。 （2）梯度型 如图（b）所示，梯度型多模光纤的纤芯折射率近似呈平方分布，在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，又称自聚焦光纤。 （3）单孔型 如图 (c）所示，由于单孔型光纤的纤芯直径较小，光以电磁场模的原理传导，能量损失小，适宜于远距离传输，又称单模光纤。,光纤传感器,（二）光纤的传输原理,1光的全反射定律,光线在临界面上发生的全反射示意图,折射角满足斯乃尔法则，即,临界角计算公式：,光纤传感器,（二）光纤的传输原理,2光纤传光原理,以阶跃型多模光纤为例来说明光纤的传光原理。，即,光纤的数值孔径（NA）计算公式：,数
4、值孔径是衡量光纤集光性能的一个主要参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值 ，反映了光纤的集光能力。它表示无论光源发射功率多大，只有2 张角的光，才能被光纤接收、传播（全反射）。,光纤传感器,（三）光纤传感器的结构、种类及功能,1光纤传感器的结构,光纤传感器主要由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统及光导纤维等主要部分所组成。,光纤传感器结构示意图,光纤传感器,（三）光纤传感器的结构、种类及功能,2光纤传感器的种类,从广义上讲，凡是采用光导纤维的传感器均可称为光纤传感器，其分类方法如下。 （1）按测量对象分类 按测量对象的不同，光纤传感器可以分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤
5、电流传感器、光纤流速传感器等。 （2）按光纤在传感器中的作用分类 按光纤在传感器中所起的作用不同，可分为FF型（Function Fiber）功能型光纤传感器和NFF型（Non Function Fider ）非功能型光纤传感器。 （3）按光纤中光波调制的原理分类 根据被调制参数的不同，光纤传感器可分为5类，即强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。,光纤传感器,（三）光纤传感器的结构、种类及功能,3光纤传感器的功能（例图）,电容式传感器,二、电容式传感器概述,工作原理： 是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过它把被测物理
6、量的变化转换成电容量的变化，再经过测量电路转换为电压、电流或频率。 优点： 可获得较大的相对变化量。 能在恶劣的环境下条件下工作。 发热的影响小。 动态响应快。 应用领域： 电容传感器可广泛应用于直线位移、压力、角位移、液位、相对湿度、物位等物理量的测量。,电容式传感器,（一）、电容式传感器的种类,平行板电容器是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的，如图414所示，当忽略边缘效应影响时，其电容量与绝缘介质的介电常数、极板的有效面积S，以及两极板间的距离d有关，即,电容式传感器可以分成改变极板面积的变面积式、改变极板距离的变间隙式和改变介电常数的变介电常数式3种类型。,电容式传感器,（二）变间隙
7、式电容传感器,1工作原理 基本的变间隙式电容传感器有一个定极板和一个动极板，如图所示，当动极板随被测量变化而移动时，两极板的间距d就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量C。,设动极板在初始位置时与定极板的间距为 ，此时的初始电 容量为 ，当可动极板向上移动d时，电容的增加量为,基本的变间隙式 电容传感器示意图,电容式传感器,（二）变间隙式电容传感器,当 d d0（即量程远小于极板间初始距离）时，可以认为 与 是线性的。即,其灵敏度为,结论：增大S和减小d 0均可提高传感器的灵敏度，但要受到传感器体积和击穿电压的限制。此外，对于同样大小的 d ， d 0越小，则 d / d 0越大，由此造
8、成的非线性误差也越大。因此，这种类型的传感器一般用于测量微小的变化量。,电容式传感器,（二）变间隙式电容传感器,在实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度及减少电源电压、环境温度等外界因素的影响，电容传感器也常做成差动形式，如图所示。,当可动极板向上移动 时，上电容 电容量增加，下电容 电容量减少，而其电容值分别为,当d d0 ，C与d近似呈线性，即,此时传感器的灵敏度为,K=,=2,=,电容式传感器,（二）变面积式电容传感器,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；另一个是可移动的，称为动极板。根据动极板相对定极板的移动情况，变面积式电容传感器又分为直线位移式和角位移式两
9、种。 1、直线位移式 变面积式电容传感器 中间极板移动的变面积式电容传感器原理图,为提高测量精度，以减少动极板 与定极板之间的相对极距可能变 化而引起的测量误差。,输出特性呈线性， 适合于测量较大 的直线位移。 它的灵敏度为,电容式传感器,（二）变面积式电容传感器,2、角位移式 角位移式电容传感器原理如图所示。当被测的变化量使动极板有一角位移时，两极板间互相覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。 角位移式电容传感器原理图 差动角位移式电容传感器原理图,电容式传感器,（三）变介电常数式电容传感器,变介电常数式电容传感器的工作原理是当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起电
10、容量发生变化。变介电常数式传感器经常采用平面式或圆柱式电容器。 1、平面式,当有位移输入时，介质板向左移动，使部分介质的介电常数改变，则此时等效电容相当于C1 、C2 并联，即 由此可见，电容变化量 与位移 呈线性关系。,电容式传感器,（三）变介电常数式电容传感器,1、圆柱式,电介质电容器大多采用圆柱式。其基本结构如图所示，内外筒为两个同心圆筒，分别作为电容的两个极。圆柱式电容的计算公式：为 式中，r为内筒半径，R为外筒半径，h为筒长； 为介电常数。该圆柱式电容器可用于制作电容式液位计。,电容式传感器,（四）电容传感器测量电路,根据电路输出量的不同，可分为调幅型电路、差动脉宽调制型电路和调频型
11、电路。 1、调幅型电路：这种测量电路输出的是幅值正比于或近似正比于被测信号的电压信号，以下两种是常见的电路形式。,差动式交流电桥测量电路,运算放大器式测量电路,电容式传感器,（四）电容传感器测量电路,2、差动脉宽调制型电路：电路的工作原理是通过利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。 差动脉宽调制型电路,电容式传感器,（四）电容传感器测量电路,3、调频型电路：振荡器谐振电路由电容式传感器与电感元件构成，当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化。再经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大
12、器放大后即可显示。 调频-鉴频型电路原理图,微波传感器,三、微波传感器概述,工作原理： 微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件或装置。 优点： 可以实现非接触测量，因此可进行活体检测，大部分测量不需要取样； 检测速度快，灵敏度高，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制； 可以在恶劣环境条件下检测，如高温、高压、有毒、有放射线环境条件； 输出信号可以方便地调制在载频信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥控。 应用领域： 微波传感器可广泛应用于位置、厚度、物位、温度等物理量的测量。,微波传感器,微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短
13、，频率很高，要求振荡回路非常小的电感和电容，因此，不能用普通晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10cm以上可用同轴线)传输，并通过天线发射出去，为了使发射的微波信号具有一致的方向性，天线应具有特殊的结构和形状。常用的天线有喇叭形天线和抛物面天线等。 微波天线,（一）微波传感器的组成,微波传感器,（二）微波传感器种类,1反射式传感器 这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。 2遮断式传感器 这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天
14、线间有无被测物或被测物的位置等。,微波传感器,（三）微波传感器应用,1微波液位计 图示为微波液位检测示意图，相距为S的发射天线和接收天线间构成一定的角度。波长为入的微波从被测液位反射后进人接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。,微波液位计示意图,微波传感器,（三）微波传感器应用,1、微波液位计 接收天线接收的功率Pr，可表示为 式中，d两天线与被测液面间的垂直距离；Pi、Gi发射天线发射的功率和增益；Gr接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得接收功率Pr，就可获得被测液面的高度d。,微波传感器,（三）微波传感器应用,2微波物位计 图为微波开关式物位计示意图
15、。当被测物位较低时，发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经放大器、比较器后发出正常工作信号。当被测物位升高到天线所在的高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率相应减弱，经放大器、比较器就可给出被测物位高出设定物位的信号。,微波开关式物位计示意图,微波传感器,（三）微波传感器应用,3.微波测厚仪 微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。,微波测厚仪原理图,电路组装,1、整体设计框架及原理图 磁法覆盖层厚度测量是厚度测量类仪表中的一个重要分支。它主要应用于铁磁性物体表面非磁性涂层的厚度测量，例如对钢铁表面的镀膜、油漆、塑料、搪瓷等覆盖层的厚度便可使用磁法测厚仪来度量。,总体框图,2、各部分电路设计,（1）厚度检测电路 霍尔集成电路CS3503的1脚接电源+5V，2脚接地，3脚接运算放大器的反相输入端，将霍尔电路获得的厚度信号加以放大， 以满足后级所需要的信号电平。如图所示。,2、各部分电路设计,（2）非线性校正的函数运算电路 基本设计思想是这样的，原曲线各点的斜率是单调下降的，设计一个运算放大器，使其放大特性随着信号电平的增大斜率是单调上升的，实现Uo=kUi函数运算，式中Uo和
