自動化技術(shù)及儀表 第二章檢測技術(shù)及檢測元件 第2.4節(jié) 電容式檢測元件

1、2 檢測技術(shù)與檢測元件 12.檢測技術(shù)與檢測元件第4節(jié) 電容式檢測元件2 檢測技術(shù)與檢測元件 2什么是電容器？什么是電容器？ 電容器由兩個用介質(zhì)（固體、液電容器由兩個用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導(dǎo)體體或氣體）或真空隔開的電導(dǎo)體構(gòu)成。構(gòu)成。QCV第4節(jié) 電容式檢測元件*2 檢測技術(shù)與檢測元件 3 概念概念: :電容式檢測元件可以將某些物理量的變化轉(zhuǎn)電容式檢測元件可以將某些物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓?。變?yōu)殡娙萘康淖兓?優(yōu)點優(yōu)點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、動態(tài)響應(yīng)時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。性強、動態(tài)響應(yīng)時間短、易實現(xiàn)非接觸測量

2、等。 由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點得以充分發(fā)揮。點得以充分發(fā)揮。 應(yīng)用應(yīng)用：用于測量壓力、位移、厚度、加速度、液：用于測量壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等。位、物位、濕度和成分含量等。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 42.4.1 電容檢測元件的工作原理電容檢測元件的工作原理 電容檢測元件實際上是各種類型的可變電電容檢測元件實際上是各種類型的可變電容器，它能

3、將被測量的改變轉(zhuǎn)換為電容量容器，它能將被測量的改變轉(zhuǎn)換為電容量的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成電壓、電流、頻率等的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成電壓、電流、頻率等電信號。電信號。 按照極板形狀按照極板形狀，電容檢測元件分為，電容檢測元件分為平板平板和和圓筒形圓筒形。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 5平板型電容器平板型電容器當(dāng)忽略該電容器的邊緣效應(yīng)時，其電容量當(dāng)忽略該電容器的邊緣效應(yīng)時，其電容量C為為 A極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積； d極板間距離；極板間距離； r介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)介質(zhì)材料的相對介電常數(shù),空氣的空氣的r =1； 0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，0 8.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板

4、間介質(zhì)的介電常數(shù)。dAC/dAr/0 A d*2 檢測技術(shù)與檢測元件 6圓柱式線位移電容器圓柱式線位移電容器 在不計邊緣效應(yīng)影響時，在不計邊緣效應(yīng)影響時， 圓柱式的電容器的電容量為圓柱式的電容器的電容量為 式中式中,l 外圓柱筒與內(nèi)圓柱外圓柱筒與內(nèi)圓柱重重疊部分長度（高度）疊部分長度（高度）； R外外圓柱圓柱內(nèi)徑內(nèi)徑； r 內(nèi)內(nèi)圓柱圓柱外徑外徑。線性關(guān)系線性關(guān)系02lnrlCRr *2 檢測技術(shù)與檢測元件 7當(dāng)被測參數(shù)當(dāng)被測參數(shù)A A（l）,或或d d發(fā)生變化時發(fā)生變化時, , 電容量電容量C C也也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變, , 而僅改而僅改變其中

5、一個參數(shù)變其中一個參數(shù), , 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化容量的變化, , 通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此因此, , 電容式傳感器可分為電容式傳感器可分為變極距型、變面積型變極距型、變面積型和變介質(zhì)型和變介質(zhì)型三種類型。三種類型。改變平行極板間距改變平行極板間距d d的電容式傳感器可以測量微米的電容式傳感器可以測量微米數(shù)量級的位移、壓力，數(shù)量級的位移、壓力，變化面積的電容式傳感器則適用于測量厘米數(shù)量變化面積的電容式傳感器則適用于測量厘米數(shù)量級的位移，級的位移，變介電常數(shù)的電容式傳感器適用于液面、厚度的變介電常數(shù)的電容式傳感

6、器適用于液面、厚度的測量。測量。dAC/dAr/002lnrlCRr *2 檢測技術(shù)與檢測元件 8變極距變極距(d)(d)型型: (a): (a)、(e) (e) 變面積型變面積型(S)(S)型型: (b): (b)、(c)(c)、(d)(d)、(f)(f)、(g) (g) （h h） 變介電常數(shù)變介電常數(shù)()()型型: :（i i）(l) (l) *2 檢測技術(shù)與檢測元件 91.1.變極距（間距）型電容傳感器變極距（間距）型電容傳感器 1 11 2 2 23 d d d d 0 d0 ddCC0 Cs定極定極板板動極動極板板2.4.2 電容元件的結(jié)構(gòu)和特性電容元件的結(jié)構(gòu)和特性*2 檢測技術(shù)與

7、檢測元件 10變極距（間隙）式電容傳感器變極距（間隙）式電容傳感器*2 檢測技術(shù)與檢測元件 11極板面積為極板面積為A，初始距離為，初始距離為d0，以空氣為介質(zhì)，以空氣為介質(zhì)（ r=1），電容器的電容為），電容器的電容為若電容器極板距離初始值若電容器極板距離初始值 d0減小減小 d，其電容量增加，其電容量增加 C，即，即由上式，電容的相對變化量為由上式，電容的相對變化量為(上式兩側(cè)同時除以上式兩側(cè)同時除以C0) 000dAC0000011ddCddACCC0001ddddCC（1 1）靈敏度分析）靈敏度分析非線性關(guān)系非線性關(guān)系A(chǔ)*2 檢測技術(shù)與檢測元件 12 ，按冪級數(shù)展開得按冪級數(shù)展開得 略

8、去非線性項（高次項），則得近似的線性關(guān)系式略去非線性項（高次項），則得近似的線性關(guān)系式 電容傳感器的靈敏度為電容傳感器的靈敏度為減小極間距，利于提高靈敏度。減小極間距，利于提高靈敏度。物理意義物理意義：單位位移引起的電容量的（相對）變化量的大小。：單位位移引起的電容量的（相對）變化量的大小。 1/0dd 30200001ddddddddCC00ddCC00001/KddCCKdCdC或*0001ddddCC2 檢測技術(shù)與檢測元件 13略去高次項（非線性項）引起的略去高次項（非線性項）引起的相對非線性誤差相對非線性誤差為為 可見極間距越小，利于可見極間距越小，利于提高靈敏度提高靈敏度，但是，但是

9、非線性誤差非線性誤差增加增加矛盾矛盾。且。且d d0 0過小時，容易引起電容器擊穿。過小時，容易引起電容器擊穿。 在實際應(yīng)用中，為提高靈敏度，減小非線性，大都采在實際應(yīng)用中，為提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動結(jié)構(gòu)。用差動結(jié)構(gòu)。 改善擊穿條件的辦法是在極板間放置改善擊穿條件的辦法是在極板間放置高介電常數(shù)材料高介電常數(shù)材料云母片等介電材料。云母片等介電材料。001ddCCK%100003020 ddddddddCCC 30200001ddddddddCC00ddCC（2）相對非線性誤差）相對非線性誤差*2 檢測技術(shù)與檢測元件 14 （3 3）差動變間隙式電容傳感器）差動變間隙式電容傳感器 在差

10、動式電容傳感器中，其中電容器在差動式電容傳感器中，其中電容器C C1 1的電容隨位移的電容隨位移d d 的減小而增大時，另一個電容器的減小而增大時，另一個電容器C C2 2的電容則隨著的電容則隨著d d的增大而減小。的增大而減小。 10011ccdd00211ddcc目的目的v靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍v減小非線性減小非線性*2 檢測技術(shù)與檢測元件 15它們的特性方程分別為它們的特性方程分別為總的電容變化量總的電容變化量電容的相對變化量為電容的相對變化量為略去高次項略去高次項, ,近似成線性關(guān)系近似成線性關(guān)系差動電容式傳感器的靈敏系數(shù)為：差動電容式傳感器的靈敏系數(shù)為： 30200011ddd

11、dddCC30200021ddddddCC30002122ddddCCCC 40200012ddddddCC002ddCCa）差動結(jié)構(gòu)）差動結(jié)構(gòu)靈敏度靈敏度分析分析000022ddCCKdCdCKCC或v結(jié)論：靈敏度結(jié)論：靈敏度提高一倍！提高一倍！*2 檢測技術(shù)與檢測元件 16 差動電容式傳感器的相對差動電容式傳感器的相對非線性誤差非線性誤差近似為近似為 結(jié)論：結(jié)論： 差動式比單極式靈敏度提高一倍，且非差動式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。線性誤差大為減小。 由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，它還能有效地補償溫度變由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，它還能有效地補償溫度變化所造成的誤差?；斐傻恼`差。%10

12、0222220030040200 ddddddddddddddCCC002ddCC 40200012ddddddCCv非線性誤差減小非線性誤差減小b）差動結(jié)構(gòu)）差動結(jié)構(gòu)非線性誤差非線性誤差分析分析*2 檢測技術(shù)與檢測元件 17 （4 4）固定介質(zhì)與可變間隙式電容傳感器）固定介質(zhì)與可變間隙式電容傳感器 減小極間隙可提高靈敏度，但易擊穿。為此，經(jīng)減小極間隙可提高靈敏度，但易擊穿。為此，經(jīng)常在兩極板間加一層云母或塑料等介質(zhì)，以改變電容的常在兩極板間加一層云母或塑料等介質(zhì)，以改變電容的耐壓性能。由此構(gòu)成如圖所示的耐壓性能。由此構(gòu)成如圖所示的固定介質(zhì)固定介質(zhì)與與可變間隙可變間隙式式電容傳感器。電容傳感器

13、。 由關(guān)系由關(guān)系 , , ,2121CCCCC1101dAC2202dAC2210ddAC固定 介質(zhì) 2 定極板 動極板 空氣 1=1 d2 d1 *2 檢測技術(shù)與檢測元件 18當(dāng)空氣隙減小當(dāng)空氣隙減小 ，使電容增加，使電容增加 ，有，有電容的相對變化量為電容的相對變化量為當(dāng)當(dāng)N N1 1d d1 1/ /（d d1 1+ +d d2 2） 1，隨厚，隨厚度比度比d2/d1增加，增加，N1增加。增加。d2/d1很大時，很大時，N1的極的極限為限為 2，d2/d1不變時，隨不變時，隨 2增增加，加，N1增增加。加。 0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 d2/d12=10

14、2=5 8 6 4 221212221211/ )(11/ddddddddN*2 檢測技術(shù)與檢測元件 21 1 1 211 2 223(a)(b)(c)(d)常用的有角位移型和線位移型兩種。常用的有角位移型和線位移型兩種。與變間隙型相比，適用于較大角位移及直線位移的測量。與變間隙型相比，適用于較大角位移及直線位移的測量。一般情況下，變面積型電容式傳感器常做成圓柱形。一般情況下，變面積型電容式傳感器常做成圓柱形。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 22板狀線位移變面積型板狀線位移變面積型*2 檢測技術(shù)與檢測元件 23（1 1）板狀板狀線位移式電容傳感器線位移式電容傳感器 極板起始覆蓋面積為極板起始覆蓋面積

15、為A A = = a ab b，沿活動極板寬度，沿活動極板寬度方向移動方向移動a a，則改變了兩極板間覆蓋的面積，忽，則改變了兩極板間覆蓋的面積，忽略邊緣效應(yīng)，改變后的電容量為略邊緣效應(yīng)，改變后的電容量為 電容的變化量為電容的變化量為 靈敏度為靈敏度為adbCdaabC0)(aaCadbCCC00aaCCKaCaCK1/0C0C或線性關(guān)系線性關(guān)系常數(shù)常數(shù)*2 檢測技術(shù)與檢測元件 24靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K KC C為常數(shù)，可見為常數(shù)，可見減小極板寬度減小極板寬度a a可提高可提高靈敏度；靈敏度；極板的起始覆蓋長度極板的起始覆蓋長度b b與靈敏度系數(shù)與靈敏度系數(shù)K KC C無關(guān)。但無關(guān)。但b b

16、不能太小，必須保證不能太小，必須保證b bd d( (極距極距) )，否則邊緣處，否則邊緣處不均勻電場的影響將增大。不均勻電場的影響將增大。平板式極板作線位移最大不足之處是平板式極板作線位移最大不足之處是對移動極板對移動極板的平行度要求高的平行度要求高，稍有傾斜會導(dǎo)致極距，稍有傾斜會導(dǎo)致極距d d變化，影變化，影響測量精度。響測量精度。因此在一般的情況下，變面積式的電容傳感器常因此在一般的情況下，變面積式的電容傳感器常作成圓柱式的。作成圓柱式的。aaCCK1/0C*2 檢測技術(shù)與檢測元件 25同心圓筒形線位移電容式傳感器同心圓筒形線位移電容式傳感器*2 檢測技術(shù)與檢測元件 26 （2）圓柱式線

17、位移電容傳感器圓柱式線位移電容傳感器 在不計邊緣效應(yīng)影響時，在不計邊緣效應(yīng)影響時， 圓柱式的電容器的電容量為圓柱式的電容器的電容量為 式中式中l(wèi) 外圓柱筒與內(nèi)圓柱外圓柱筒與內(nèi)圓柱重疊部分長度（高度）重疊部分長度（高度）； r2外外圓柱圓柱內(nèi)徑內(nèi)徑； r1內(nèi)內(nèi)圓柱圓柱外徑外徑。12ln2rrlC線性關(guān)系線性關(guān)系*2 檢測技術(shù)與檢測元件 27 動極（圓柱）沿軸線移動動極（圓柱）沿軸線移動 l時，電容的變化量為時，電容的變化量為 若采用差動結(jié)構(gòu)，動極向上移動若采用差動結(jié)構(gòu)，動極向上移動l，則上面部分的電，則上面部分的電容量容量Ca增加，下面部分的電容量增加，下面部分的電容量Cb減少，使輸出為差動減少

18、，使輸出為差動形式，有形式，有 llCC1K靈敏度llCrrlC)/ln(212llCrrllrrllCCC2)/ln()(2)/ln()(21212ballCC2K靈敏度常數(shù)常數(shù)常數(shù)常數(shù)結(jié)論：結(jié)論：采用差動式結(jié)構(gòu)，電容變化量增加一倍，則靈敏度也采用差動式結(jié)構(gòu)，電容變化量增加一倍，則靈敏度也提高一倍提高一倍,且靈敏度為常數(shù)。且靈敏度為常數(shù)。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 28角位移變面積型角位移變面積型*2 檢測技術(shù)與檢測元件 29 （3 3）角位移式電容傳感器）角位移式電容傳感器 設(shè)兩半圓極板重合時，電容量為設(shè)兩半圓極板重合時，電容量為 動極動極2 2轉(zhuǎn)過角，電容量變?yōu)檗D(zhuǎn)過角，電容量變?yōu)?則電容變

19、化量為則電容變化量為 則靈敏度系數(shù)為則靈敏度系數(shù)為drdSC220002)/1 (2)(CCdSdrC00CCCC1/0CCCK線性關(guān)系線性關(guān)系常數(shù)常數(shù)*2 檢測技術(shù)與檢測元件 30 綜合上述分析，變面積式電容綜合上述分析，變面積式電容傳感器不論被測量是線位移還是角傳感器不論被測量是線位移還是角位移，位移與輸出電容都為線性關(guān)位移，位移與輸出電容都為線性關(guān)系（忽略邊緣效應(yīng)），傳感器靈敏系（忽略邊緣效應(yīng)），傳感器靈敏系數(shù)為常數(shù)。系數(shù)為常數(shù)。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 313.變介電常數(shù)電容傳感器變介電常數(shù)電容傳感器*2 檢測技術(shù)與檢測元件 32v這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度這種傳感器大多用于測

20、量電介質(zhì)的厚度( (圖圖a a) )、位、位移移( (圖圖b b) )、液位、液位( (圖圖c c) )。v( (圖圖d d) )根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量等。3.變介電常數(shù)電容傳感器變介電常數(shù)電容傳感器1）常見結(jié)構(gòu)*2 檢測技術(shù)與檢測元件 33 厚度為厚度為d2的介質(zhì)（介電常數(shù)為的介質(zhì)（介電常數(shù)為 2）在電容器中移動時，）在電容器中移動時，電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)（總值）改變使電容量改電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)（總值）改變使電容量改變，于是可用來變，于是可用來測量位移測量位

21、移x。 如圖有如圖有 ， ，無介質(zhì)，無介質(zhì) 2即即x=0時，有時，有BACCC21ddd d1 x l CACB x d22211AddbxC1B/1)(dxlbCdblC/10當(dāng)介質(zhì)當(dāng)介質(zhì) 2移進(jìn)移進(jìn)電容器中電容器中x長長度時，有度時，有2)電容計算*2 檢測技術(shù)與檢測元件 34 設(shè)式中設(shè)式中 則有則有 結(jié)論：結(jié)論：電容量電容量C與位移量與位移量x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 上述結(jié)論均忽略了邊緣效應(yīng)。實際上，由于邊緣效應(yīng)，上述結(jié)論均忽略了邊緣效應(yīng)。實際上，由于邊緣效應(yīng)，將有非線性，并使靈敏度下降。將有非線性，并使靈敏度下降。xdddlCCdddlxdCCdddbxdblC11112211001

22、22120012211111211ddlAAxCC102211AddbxC1B/1)(dxlbCdblC/10*2 檢測技術(shù)與檢測元件 353 3）變介電常數(shù)式電容傳感器圖片）變介電常數(shù)式電容傳感器圖片*2 檢測技術(shù)與檢測元件 364 4）應(yīng)用：）應(yīng)用：變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器電容式液位計電容式液位計n圓筒式液位傳感器如下圖，容器中液體不導(dǎo)電（若圓筒式液位傳感器如下圖，容器中液體不導(dǎo)電（若是，則電極要絕緣），若忽略邊緣效應(yīng)，確定傳感器是，則電極要絕緣），若忽略邊緣效應(yīng)，確定傳感器的電容量的電容量C C與被測液位高度與被測液位高度h hx x的關(guān)系。的關(guān)系。 C1CC2h1液

23、位傳感器液位傳感器h2r12r2hx12*等效電路：2 檢測技術(shù)與檢測元件 374 4）應(yīng)用：）應(yīng)用：變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器電容式液位計電容式液位計C1CC2xxxxKhArrhrrhrrhrrhhCCC)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln()(2122112212112221結(jié)論：結(jié)論：傳感器電容量傳感器電容量C C與被測液位高度與被測液位高度h hx x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 )/ln(2122rrhA)/ln()(21221rrK0)/ln(2122minxhrrChhrrCx)/ln(2121maxh1液位傳感器液位傳感器h2r12r2hx12*2

24、檢測技術(shù)與檢測元件 38例例: 某電容式液位傳感器由直徑為某電容式液位傳感器由直徑為40mm和和8mm的兩個同心圓柱的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為，高為1.2m。被儲存。被儲存液體的相對介電常數(shù)液體的相對介電常數(shù)r 2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)時傳感器的靈敏度以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)時傳感器的靈敏度(pF/L)。已知真空的介電。已知真空的介電常數(shù)為常數(shù)為8.85pF/m。解：解：pFmmpFrrHCr46.415ln2 . 11)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHC

25、r07.871 . 246.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax*2 檢測技術(shù)與檢測元件 394.4.等效電路等效電路 以上對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容以上對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。的條件下進(jìn)行的。 若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作，則需考慮其附加損耗和電感效應(yīng)的影響，下工作，則需考慮其附加損耗和電感效應(yīng)的影響，此時其等效電路如圖所示。此時其等效電路如圖所示。電容檢測元件

26、等效電路電容檢測元件等效電路 RsRs為串聯(lián)損耗電阻為串聯(lián)損耗電阻 RpRp為并聯(lián)損耗電阻為并聯(lián)損耗電阻 L L為電容器及引線電感為電容器及引線電感之和之和 C C為傳感器電容為傳感器電容 CpCp為寄生電容為寄生電容*2 檢測技術(shù)與檢測元件 40串聯(lián)損耗電阻串聯(lián)損耗電阻RsRs：代表引代表引線電阻，電容器支架和極線電阻，電容器支架和極板的電阻。板的電阻。在幾兆赫頻率下工作時，在幾兆赫頻率下工作時，這個值通常很小，隨著頻這個值通常很小，隨著頻率增高而增大。因此，只率增高而增大。因此，只有在很高的工作頻率時，有在很高的工作頻率時，才要加以考慮。才要加以考慮。 并聯(lián)損耗電阻并聯(lián)損耗電阻RpRp：包

27、含包含極板間漏電阻和介質(zhì)損極板間漏電阻和介質(zhì)損耗；耗；*2 檢測技術(shù)與檢測元件 41電感電感L L：由電容器本由電容器本身的電感和外部引線身的電感和外部引線的電感所組成。的電感所組成。電容器本身的電感與電容器本身的電感與電容器的結(jié)構(gòu)形式有電容器的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，引線電感則與引關(guān)，引線電感則與引線長度有關(guān)，引線越線長度有關(guān)，引線越短，電感越小。短，電感越小。如果用電纜與電容式如果用電纜與電容式傳感器相連接，則傳感器相連接，則L L中應(yīng)包括電纜的電感。中應(yīng)包括電纜的電感。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 42寄生電容寄生電容CpCp：主要指電纜寄生電容，它與傳感器電容主要指電纜寄生電容，它與傳感器電容C C

28、相并聯(lián)。相并聯(lián)。由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，一般電容量都很小，幾個皮法到幾十由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，一般電容量都很小，幾個皮法到幾十皮法，屬于小功率、高阻抗器件，極易受外界干擾，尤其是電纜皮法，屬于小功率、高阻抗器件，極易受外界干擾，尤其是電纜寄生電容。寄生電容。寄生電容比電容傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機性，寄生電容比電容傳感器的電容大幾倍至幾十倍，且具有隨機性，又與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)陀峙c傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎]傳感器的有用信號，使傳感器無法使用。沒傳感器的有用信號，使傳感器無法使用。因此消滅寄生電容的影響，是電容式傳感器實

29、用化的關(guān)鍵。因此消滅寄生電容的影響，是電容式傳感器實用化的關(guān)鍵。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 43設(shè)電容傳感器等效電容為設(shè)電容傳感器等效電容為C Ce e，在忽略，在忽略CpCp、R RP P，R RS S的情的情況下（未接電纜，先不考慮寄生電容）況下（未接電纜，先不考慮寄生電容）eCjCjLj11LCCCe21*有效電容：有效電容：2 檢測技術(shù)與檢測元件 44 有效電容：有效電容： 有效電容的增量為對上式的微分：有效電容的增量為對上式的微分： 有效電容的相對變化量：有效電容的相對變化量： 電容傳感器的有效靈敏度系數(shù)：電容傳感器的有效靈敏度系數(shù)：LCCCCC2ee11LCCC2e122e)1 (L

30、CCCLCKdCCK2ceee1/結(jié)論結(jié)論：電容傳感器有效靈敏度系數(shù)與：電容傳感器有效靈敏度系數(shù)與w2LC有關(guān)，隨有關(guān)，隨w 和和L變化。變化。CLCj1jj1e*2 檢測技術(shù)與檢測元件 45 注意注意：電容傳感器工作與標(biāo)定的條件應(yīng)相：電容傳感器工作與標(biāo)定的條件應(yīng)相同：電源頻率不變，引線長度不能改變。同：電源頻率不變，引線長度不能改變。引線長度改變需對電容式傳感器的有效靈引線長度改變需對電容式傳感器的有效靈敏度重新標(biāo)定。敏度重新標(biāo)定。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 462.4.32.4.3電容式檢測元件的溫度補償及抗干擾問題電容式檢測元件的溫度補償及抗干擾問題 1.1.電容式檢測元件的溫度補償電容式

31、檢測元件的溫度補償 （1 1）溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響）溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 由于電容式傳感器極間隙很小由于電容式傳感器極間隙很小, , 對結(jié)構(gòu)尺寸的變對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感?；貏e敏感。在傳感器各零件材料線性膨脹系數(shù)不匹配的情在傳感器各零件材料線性膨脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。而產(chǎn)生很大的溫度誤差。為減小這種誤差，應(yīng)盡量選取溫度系數(shù)小和溫為減小這種誤差，應(yīng)盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。度系數(shù)穩(wěn)定的材料。 *2 檢測技術(shù)與檢測元件 47（2 2）溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響）溫度對介質(zhì)介電常數(shù)

32、的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零。而某些液體及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零。而某些液體介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫介質(zhì)，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。度系數(shù)較大。 例如，例如，煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)0.07；若環(huán)境溫度變化若環(huán)境溫度變化50，則將帶來，則將帶來7的溫度誤差，的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 482.2.消除寄生電容的影響消除寄生電容

33、的影響 由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就要相對大得多，往由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就要相對大得多，往往使傳感器不能正常使用。往使傳感器不能正常使用。 消除和減小寄生電容影響的方法可歸納為以下幾種：消除和減小寄生電容影響的方法可歸納為以下幾種： （1 1）增加初始電容值）增加初始電容值 可減小極片或極筒間的距離可減小極片或極筒間的距離 （2 2）集成法：）集成法：縮小傳感器至測量線路前置級的距離縮小傳感器至測量線路前置級的距離 將集成電路、超小型電容器應(yīng)用于測量電路。將集成電路、超小型電容器應(yīng)用于測量電路。 可使得部可使得部分部件與傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄分部件與

34、傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值固定不變。生電容值固定不變。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 49（3 3）“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)（技術(shù)（“雙層屏蔽等電位傳輸雙層屏蔽等電位傳輸”技術(shù)）技術(shù)） 傳感器與測量電路前置級間的引線為傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜雙屏蔽層電纜，其，其內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層與與信號傳輸線信號傳輸線(即電纜芯線即電纜芯線)通過通過1:1放大器成為放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。 外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。 內(nèi)外屏蔽

35、層之間的電容是內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。放大器的負(fù)載。1：1測量測量電路電路前置級前置級外屏蔽層外屏蔽層內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線芯線傳感器傳感器“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)原理圖技術(shù)原理圖*2 檢測技術(shù)與檢測元件 50由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為為“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)10m10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。1:11:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為為1(1(準(zhǔn)

36、確度要求達(dá)準(zhǔn)確度要求達(dá)1/100001/10000) )的同相的同相( (要求相移為零要求相移為零) )放大器。放大器。因此因此“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)對技術(shù)對1:11:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于保證電容式傳感器的電容值小于1pF1pF時，也能正常工作。時，也能正常工作。1：1測量測量電路電路前置級前置級外屏蔽層外屏蔽層內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線芯線器傳感器傳感“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)原理圖技術(shù)原理圖*2 檢測技術(shù)與檢測元件 51 （4 4）整體屏蔽技術(shù)）整體屏蔽技術(shù) 將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電

37、路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 52 （3 3）整體屏蔽技術(shù)）整體屏蔽技術(shù) 下圖是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系下圖是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)統(tǒng) 屏蔽層接地點選擇在兩固定輔助阻抗臂屏蔽層接地點選擇在兩固定輔助阻抗臂R R1 1和和R R2 2中間，使中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容C C3 3和和C C4 4分別與分別與R R1 1和和R R2 2并聯(lián)。并聯(lián)。

38、 如果如果R R1 1和和R R2 2比比C C3 3和和C C4 4的容抗小得多，則寄生電容的容抗小得多，則寄生電容C C3 3和和C C4 4對對電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 53 （3 3）整體屏蔽技術(shù)）整體屏蔽技術(shù)公用極板與屏蔽之間（也就是公用極板對地）的公用極板與屏蔽之間（也就是公用極板對地）的寄生電容寄生電容C C1 1只影響靈敏度，不妨礙電橋的正確工只影響靈敏度，不妨礙電橋的正確工作。作。 因此寄生電容對傳感器電容的影響基本上得到了因此寄生電容對傳感器電容的影響基本上得到了排除。排除。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 542.4.42.4.

39、4電容式檢測元件的應(yīng)用電容式檢測元件的應(yīng)用 電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動、角度、電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度、荷重等機械量的測量，也廣泛應(yīng)用于壓力、加速度、荷重等機械量的測量，也廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液壓、料位、成分含量等熱工參數(shù)測量。差壓力、液壓、料位、成分含量等熱工參數(shù)測量。1.1.電容式壓力（差壓）傳感器電容式壓力（差壓）傳感器實質(zhì)：實質(zhì)：位移傳感器，位移傳感器，它利用彈性膜片在壓它利用彈性膜片在壓力下變形所產(chǎn)生的位力下變形所產(chǎn)生的位移來改變傳感器的電移來改變傳感器的電容（此時膜片作為電容（此時膜片作為電容器的一個電極）。容器的一個電極）。*2 檢測技術(shù)與檢測元件

40、 55* 過程壓力通過兩側(cè)或一過程壓力通過兩側(cè)或一側(cè)隔離膜片，灌充液作用在側(cè)隔離膜片，灌充液作用在敏感元件張緊的測量膜片上敏感元件張緊的測量膜片上, ,測量膜片與兩側(cè)絕緣體上的測量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電容極板各組成一個電容器電容極板各組成一個電容器, ,在無壓力通入或兩側(cè)壓力均在無壓力通入或兩側(cè)壓力均等時測量膜片處于中間位置等時測量膜片處于中間位置, ,兩個電容器的電容量相等。兩個電容器的電容量相等。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時, ,致使測致使測量膜片產(chǎn)生位移量膜片產(chǎn)生位移, ,其位移量和其位移量和壓力差成正比壓力差成正比, ,這種位移轉(zhuǎn)變這種位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動電為電容極板

41、上形成的差動電容。由電子線路把差動電容容。由電子線路把差動電容轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成4-20mADC4-20mADC的電流信號的電流信號。2 檢測技術(shù)與檢測元件 56各種電容式差壓變送器外形各種電容式差壓變送器外形 高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子電子線路線路位置位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置2 檢測技術(shù)與檢測元件 57各種電容式差壓變送各種電容式差壓變送器外形（續(xù)）器外形（續(xù)） 2 檢測技術(shù)與檢測元件 58各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）各種電容式壓力變送器外形（續(xù)） （參考（參考丹東長丹東長隆自控有限公隆自控有限公司司 資料）資料）法蘭法蘭2 檢測技術(shù)與檢測元件 59

42、各種電容式壓力變送器外形（續(xù)）各種電容式壓力變送器外形（續(xù)） 2 檢測技術(shù)與檢測元件 60差壓變送器差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：的壓力與液位成正比： p = g h電容差壓變送器用于測量液電容差壓變送器用于測量液體的液位體的液位 2 檢測技術(shù)與檢測元件 61電容差壓變送器用于測量液電容差壓變送器用于測量液體的液位體的液位 投入式水位計投入式水位計2 檢測技術(shù)與檢測元件 622 2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器特點特點:頻率響應(yīng)快和量程范圍大頻率響應(yīng)快和量程范圍大, 大多采用空氣或其它氣大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。體作阻尼物質(zhì)。原理：原理：當(dāng)傳

43、感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時, 質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止, 而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的直方向上產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化間隙發(fā)生變化, 一個增加一個增加, 一個減小一個減小, 從而使從而使C1、 C2產(chǎn)生大小相等產(chǎn)生大小相等, 符號相反的增量符號相反的增量, 此增量正比于被測加速度。此增量正比于被測加速度。*2 檢測技術(shù)與檢測元件 63加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器在汽

44、車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時， 微處理器微處理器據(jù)此判斷據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感裝有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊2 檢測技術(shù)與檢測元件 64汽車氣囊的保護(hù)作用汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣時

45、，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 2 檢測技術(shù)與檢測元件 65汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用汽車氣囊對駕駛員的保護(hù)作用2 檢測技術(shù)與檢測元件 66利用加速度傳感器實現(xiàn)利用加速度傳感器實現(xiàn) 延延時起爆的鉆地炸彈時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置2 檢測技術(shù)與檢測元件 67 3 3、電容式荷重傳感器、電容式荷重傳感器 原理：原理：當(dāng)圓孔受荷重變形時，電容值將改變，當(dāng)圓孔受荷重變形時，電容值將改變，在電路上各電容并聯(lián)，因此總電容增量將正比于在電路上各電容并聯(lián)，因此總電容增量將正比于被測平均荷重被測平均荷重F F。 特點：特點：測量誤差小、受接觸面影響?。徊捎酶邷y量誤差小、受接觸面影響小；采用高頻

46、振蕩電路為測量電路，把檢測、放大等電路置頻振蕩電路為測量電路，把檢測、放大等電路置于孔內(nèi)；利用直流供電，輸出也是直流信號；無于孔內(nèi)；利用直流供電，輸出也是直流信號；無感應(yīng)現(xiàn)象，工作可靠，溫度漂移可補償?shù)胶苄?。感?yīng)現(xiàn)象，工作可靠，溫度漂移可補償?shù)胶苄　?F*2 檢測技術(shù)與檢測元件 68 4 4、振動、位移測量儀、振動、位移測量儀 DWYDWY3 3振動、位移測量儀是一種電容調(diào)頻原理的振動、位移測量儀是一種電容調(diào)頻原理的非非接觸式測量儀器接觸式測量儀器，它既是測振儀，又是電子測微儀，主要，它既是測振儀，又是電子測微儀，主要用來測量旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和振擺、往復(fù)結(jié)構(gòu)的運動特性用來測量旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和振擺、往復(fù)結(jié)構(gòu)的運動特性和定位精度、機械構(gòu)件的相對振動和相對變形、工件尺寸和定位精度、機械構(gòu)件的相對振動和相對變形、工件尺寸和平直度等，以及用于某些特殊測量。是一種廣泛應(yīng)用的和平直度等，以及用于某些特殊測量。是一種廣泛應(yīng)用的通用性精密機械測試儀器。通用性精密機械測試儀器。 該測試儀器的傳感器是一片金屬板，做為固定極板，而以該測試儀器的傳感器是一片金屬板，做為固定極板，而以被測構(gòu)件為動極組成電容器，測量原理如圖所示。被測構(gòu)件為動極組成電容器，測