物位測量及電容傳感器

1、5 物位測量及電容傳感器物位測量及電容傳感器程森林程森林2012年年11月月5 物位測量及電容傳感器物位測量及電容傳感器 內(nèi)容內(nèi)容 5.1 物位檢測方法物位檢測方法 5.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 5.3 浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器 5.4 超聲超聲波液位傳感器波液位傳感器 5.5 核輻射式物位計核輻射式物位計 5.6 電容式物位電容式物位計及電容傳感器計及電容傳感器 5.7 其它物位計其它物位計5.1 物位檢測方法物位檢測方法 物位：液位、料位和界位的統(tǒng)稱物位：液位、料位和界位的統(tǒng)稱 液位：容器、河道、水庫中液體表面的位置液位：容器、河道、水庫中液體表面的位置 料位：容器、堆

2、場和倉庫中儲存的固體顆粒或料位：容器、堆場和倉庫中儲存的固體顆?；蚍哿系亩逊e高度，也就是堆積頂面的位置粉料的堆積高度，也就是堆積頂面的位置 界位：兩種密度不同的且互不相溶的液體間或界位：兩種密度不同的且互不相溶的液體間或液體與固體之間的分界面液體與固體之間的分界面(相界面相界面)5.1 物位檢測方法物位檢測方法 (1) 直讀法直讀法直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。讀出液位高度。結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，一

3、般用在溫度及壓力不太高、被測介質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，一般用在溫度及壓力不太高、被測介質(zhì)粘度不大并與玻璃不發(fā)生粘附的場合。粘度不大并與玻璃不發(fā)生粘附的場合。5.1 物位檢測方法物位檢測方法 (2) 浮力法浮力法 恒浮力式恒浮力式 將液位的變化轉(zhuǎn)換成漂浮于液面上將液位的變化轉(zhuǎn)換成漂浮于液面上的浮標(biāo)的位移，的浮標(biāo)的位移， 變浮力式變浮力式 將液位的變化轉(zhuǎn)換成浸沉于液體中將液位的變化轉(zhuǎn)換成浸沉于液體中的浮筒所受的浮力變化的浮筒所受的浮力變化5.1 物位檢測方法物位檢測方法 (3) 靜壓法靜壓法對于不可壓縮的液體對于不可壓縮的液體(其密度不變其密度不變)，液位的高度與液體的靜壓成，液位的高度與液體的靜壓

4、成正比，因此，通過測量液體的靜壓，便可知液位的高低。正比，因此，通過測量液體的靜壓，便可知液位的高低。密閉容器內(nèi)的液位，可由液位起點與液面上部氣體的壓力差測知密閉容器內(nèi)的液位，可由液位起點與液面上部氣體的壓力差測知5.1 物位檢測方法物位檢測方法 (4) 機械接觸機械接觸 物位的變化直接影響位移的變化，通過測量位移物位的變化直接影響位移的變化，通過測量位移直接測量物位直接測量物位 (5) 電氣轉(zhuǎn)換電氣轉(zhuǎn)換 液位的高度影響電容、電感等的變化液位的高度影響電容、電感等的變化 (6) 其它其它 利用波在界面的反射效應(yīng)進行測量，利用射線在利用波在界面的反射效應(yīng)進行測量，利用射線在物質(zhì)中的衰減程度進行測

5、量等物質(zhì)中的衰減程度進行測量等5.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 原理原理液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。 對常壓開口容器，液位高度對常壓開口容器，液位高度h與液體靜壓力與液體靜壓力P之間有如之間有如下關(guān)系：下關(guān)系： gPhh5.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 開口容器的液位開口容器的液位 (壓力表測量壓力表測量)5.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 開口容器的液位開口容器的液位 (法蘭式法蘭式)對于粘度大、有沉淀、對于粘度大、有沉

6、淀、易結(jié)晶、易凝固或具有易結(jié)晶、易凝固或具有腐蝕性的介質(zhì)，為防止腐蝕性的介質(zhì)，為防止導(dǎo)壓管堵塞或腐蝕儀表導(dǎo)壓管堵塞或腐蝕儀表，采用法蘭式壓力變送，采用法蘭式壓力變送器。器。5.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 封閉容封閉容器的液器的液位位ghPPPpPghpP115.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 吹氣式液位計吹氣式液位計導(dǎo)管導(dǎo)管3的出口氣阻取決于的出口氣阻取決于液位，所以管液位，所以管3內(nèi)的空氣內(nèi)的空氣壓力能反映液位高度，壓力能反映液位高度，若安裝壓力表則可就地若安裝壓力表則可就地指示液位，若接變送器指示液位，若接變送器則可輸出標(biāo)準(zhǔn)信號。則可輸出標(biāo)準(zhǔn)信號。5.2 靜壓式液位傳感器靜

7、壓式液位傳感器 量程遷移量程遷移無遷移無遷移gHP1)(1hHgP正遷移正遷移PggHhhggHP11221)(負(fù)遷移負(fù)遷移5.3 浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器 原理原理 浮于液面上的浮子隨著液位上升或下降浮于液面上的浮子隨著液位上升或下降，根據(jù)浮子的位置實現(xiàn)液位的檢測。，根據(jù)浮子的位置實現(xiàn)液位的檢測。 按浮子形狀不同，可分為浮子式、浮筒按浮子形狀不同，可分為浮子式、浮筒式等，也可分為恒浮力式和變浮力式。式等，也可分為恒浮力式和變浮力式。5.3 浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器 浮子式液位計原理浮子式液位計原理bhHDH222444DFH：HDF：HhD：G靈敏度變化時液面平衡時浮子直徑浮

8、子直徑D愈大，液位變化愈大，液位變化H時所對應(yīng)的浮力增量時所對應(yīng)的浮力增量 F也愈大。也愈大。希望不靈敏區(qū)小一些時，可加大浮子的直徑，即制成扁平的浮子希望不靈敏區(qū)小一些時，可加大浮子的直徑，即制成扁平的浮子。但若不靈敏區(qū)太小，液位的微小變化又會使浮子頻繁波動。但若不靈敏區(qū)太小，液位的微小變化又會使浮子頻繁波動。5.3 浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器 浮子式液位計浮子式液位計5.3 浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器 浮筒式液位計浮筒式液位計浮筒質(zhì)量為浮筒質(zhì)量為m，桶內(nèi)無水時：，桶內(nèi)無水時：mg=Cx0當(dāng)測量筒內(nèi)有一定高度的液位當(dāng)測量筒內(nèi)有一定高度的液位H時，浮時，浮筒受到液體的浮力上浮筒受到液

9、體的浮力上浮xxgAChHxxCghAmgxhH)(0彈簧的位移量與液位成正比。彈簧的頂端連彈簧的位移量與液位成正比。彈簧的頂端連接有一鐵芯，鐵芯隨著彈簧的位移在差動變接有一鐵芯，鐵芯隨著彈簧的位移在差動變壓器內(nèi)上下移動輸出位移信號。壓器內(nèi)上下移動輸出位移信號。5.4 超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器 原理原理20kHz以上頻率的機械波稱為超聲波。以上頻率的機械波稱為超聲波。當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射。反在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射。反射系數(shù)與聲阻抗射系數(shù)與聲阻抗(v)有關(guān)，有關(guān)，超聲波物位檢測方法通過測量聲波從發(fā)超

10、聲波物位檢測方法通過測量聲波從發(fā)射至接受反射回波的時間間隔來確定物射至接受反射回波的時間間隔來確定物位高低位高低H=0.5vt。當(dāng)超聲波傳播速度已知，可根據(jù)時間求當(dāng)超聲波傳播速度已知，可根據(jù)時間求得物位。得物位。5.4 超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器 測量方式測量方式氣介式氣介式 液介式液介式 固介式固介式5.4 超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器 溫度補償溫度補償5.4 超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器 優(yōu)點優(yōu)點(1) 探頭不和被洲介質(zhì)接觸，可以實現(xiàn)非接觸測量。探頭不和被洲介質(zhì)接觸，可以實現(xiàn)非接觸測量。(2) 只要界面的聲阻抗率不同，液體、粉末、塊狀體等物體的物只要界面的聲阻抗率不同，液體、

11、粉末、塊狀體等物體的物位都可測量。位都可測量。(3) 無機械可動部件，探頭的壓電晶片的振幅很小，壽命校長。無機械可動部件，探頭的壓電晶片的振幅很小，壽命校長。(4) 超聲波的傳播不受光線、濕度、粘度影響，適用于測量有腐超聲波的傳播不受光線、濕度、粘度影響，適用于測量有腐蝕性、高粘度的液體液位和固體料位。蝕性、高粘度的液體液位和固體料位。(5) 能測量高速運動或有傾斜晃動的液體的液位，如置于汽車、能測量高速運動或有傾斜晃動的液體的液位，如置于汽車、飛機、輪船中的液位。飛機、輪船中的液位。5.4 超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器 缺點缺點(1)當(dāng)超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變當(dāng)超

12、聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對此超聲波液位計應(yīng)有相應(yīng)的補償措施，否則嚴(yán)重影響化，對此超聲波液位計應(yīng)有相應(yīng)的補償措施，否則嚴(yán)重影響測量精度；測量精度；(2) 當(dāng)某些介質(zhì)對聲波吸收能力很強時，則不能應(yīng)用回波測當(dāng)某些介質(zhì)對聲波吸收能力很強時，則不能應(yīng)用回波測距法測量。不適于測量有氣泡或懸浮物的液位。當(dāng)被測液位距法測量。不適于測量有氣泡或懸浮物的液位。當(dāng)被測液位有很大波動時，會引起聲波反射混亂，造成測量誤差。有很大波動時，會引起聲波反射混亂，造成測量誤差。(3) 電路較復(fù)雜，成本較高。電路較復(fù)雜，成本較高。5.5 核輻射式物位計核輻射式物位計 原理原理當(dāng)射線射入厚度為當(dāng)射線射入厚

13、度為H的介質(zhì)時，會有一部分被介質(zhì)吸收掉。的介質(zhì)時，會有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強度透過介質(zhì)的射線強度I與入射強度與入射強度I0之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系：式中式中 吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。于是有：于是有： 因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來實現(xiàn)。實現(xiàn)。 HeII0IIHlnln105.5 核輻射式物位計核輻射式物位計 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1-放射源；放射源； 2-接收器接收器5.5 核輻射式物位計核輻射式物位計 特點特點(1) 能夠完全不接觸被測物質(zhì)，可用于高溫、高壓容器能夠完全不接觸被測物質(zhì)，

14、可用于高溫、高壓容器內(nèi)的物位測量，亦可用于強腐蝕、劇毒、易爆、易結(jié)晶、內(nèi)的物位測量，亦可用于強腐蝕、劇毒、易爆、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)以及高溫溶體等物位的測量。沸騰狀態(tài)介質(zhì)以及高溫溶體等物位的測量。(2) 由于放射線不受溫度、壓力、濕度以及電磁場等影由于放射線不受溫度、壓力、濕度以及電磁場等影響，適宜在惡劣環(huán)境下，且不常行人的地方工作。響，適宜在惡劣環(huán)境下，且不常行人的地方工作。(3) 放射線對人體有害，所以對其使用劑量及安裝、使放射線對人體有害，所以對其使用劑量及安裝、使用、維護等要嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定進行處理。用、維護等要嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定進行處理。5.6 電容式物位計及電容傳感器電容式物位計及電容傳

15、感器 5.6.1 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 5.6.2 特性特點特性特點 5.6.3 等效電路等效電路 5.6.4 測量電路測量電路 5.6.5 誤差分析誤差分析 5.6.6 應(yīng)用應(yīng)用 5.6.7 電容式液位計電容式液位計5.6.1 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 原理原理CSSr 0 S 極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積； 極板間距離；極板間距離； r相對介電常數(shù)；相對介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)，；真空介電常數(shù)，； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 S5.6.1 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變極距()型: (a)、(e) 變面積型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g)

16、（h） 變介電常數(shù)()型: （i）(l) 5.6.1 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr若若d/d103kv/mm)或塑料膜來改善電容器耐壓性或塑料膜來改善電容器耐壓性能能 非線性將隨最大相對位移增加而增加，因此為了保證一定線性度，非線性將隨最大相對位移增加而增加，因此為了保證一定線性度，應(yīng)限制動極板的相對位移量應(yīng)限制動極板的相對位移量5.6.2 特性與特點特性與特點 靈敏度靈敏度(平移變面積型平移變面積型)baadabdSC0aaCdabdbaadabC0dbaCaCk0b d k減小減小d 、加云母片

17、、增大、加云母片、增大b、采用差動結(jié)構(gòu)可提高靈敏度、采用差動結(jié)構(gòu)可提高靈敏度5.6.2 特性與特點特性與特點 靈敏度靈敏度(旋轉(zhuǎn)變面積型旋轉(zhuǎn)變面積型)初始電容越大、靈敏度越大初始電容越大、靈敏度越大0000000)1 (CCkCCCCdsCr5.6.2 特性與特點特性與特點 靈敏度靈敏度(圓筒變介電常數(shù)型圓筒變介電常數(shù)型)初始電容越大、初始電容越大、H越小、越小、1越大，靈敏度越高越大，靈敏度越高dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln201ln)(2101HCdDhCk5.6.2 特性與特點特性與特點 靈敏度靈敏度(平板變介電常數(shù)型平

18、板變介電常數(shù)型)介電常數(shù)差異越大、初始介電常數(shù)差異越大、初始長度越小，靈敏度越高長度越小，靈敏度越高012001000201002111)(LLdLbdLLLbCCCrrrrr0000000100dbLdbLCr01211LLCkrr5.6.2 特性與特點特性與特點 非線性非線性(僅變極距型才有僅變極距型才有)200220000010001001111,dsdCdddddddCdddCddCdCKdddCCCCdddCddddsddsCdsCrrrr20042020220021000222121122dsdCdddddCdddCdCKddddCddddddCCCCdddCddddsddsCrr

19、r普普通通差差動動差動結(jié)構(gòu)可提高靈敏度一倍，并降低非線性差動結(jié)構(gòu)可提高靈敏度一倍，并降低非線性mmm9.001.0)51101(5.6.2 特性與特點特性與特點 優(yōu)點優(yōu)點 溫度穩(wěn)定性好，電容值與電極材料無關(guān)本身發(fā)熱極小溫度穩(wěn)定性好，電容值與電極材料無關(guān)本身發(fā)熱極小 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強 動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好 可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)5.6.2 特性與特點特性與特點 動態(tài)性好動態(tài)性好 極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏可測極低的壓力和力，很小

20、的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受，分辨率非常高，能感受0.001 m甚至更小的位移甚至更小的位移 可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。，特別適合動態(tài)測量。 介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。、瞬時壓力等。5.6.2 特性與特點特性與特點 缺點缺點1、輸出阻抗高、負(fù)載能

21、力差、輸出阻抗高、負(fù)載能力差傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達出阻抗高達106108 。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響 2、寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等散電容以及傳感器極板

22、與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容寄生電容”卻較卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度 5.6.3 等效電路等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容為引線電纜、所接測量電路

23、及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻、極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外是極間等效漏電阻、極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗rC0CPRgL5.6.3 等效電路等效電路 低頻等效電路低頻等效電路 傳感器電容的阻抗非常大，傳感器電容的阻抗非常大，L和和r的影響可忽略的影響可忽略 等效電容等效電容Ce=C0+Cp， 等效電阻等效電阻ReRg CeRg5.6.3 等效電路等效電路 高頻等效電路高頻等效電路 電容的阻抗變小，電容的阻抗變小，L和和r的影響不可忽略，漏電的影響的影響不可忽略，漏電的影響可忽略可忽略 ，其中，其中Ce=C0+

24、Cp，而，而rer reCeLRCjLjCje11 高頻等效電路高頻等效電路由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 此時電容傳感器的等效靈敏度為此時電容傳感器的等效靈敏度為當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度由由kg變?yōu)樽優(yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨關(guān)，且隨變化而變化。變化而變化。LCCCe212222)1 ()1/(LCkdLC

25、CdCkgee5.6.3 等效電路等效電路5.6.4 測量電路測量電路 (1) 調(diào)頻電路調(diào)頻電路(2) 運算放大器電路運算放大器電路(3) 雙雙T型電橋電路型電橋電路(4) 脈寬調(diào)制電路脈寬調(diào)制電路5.6.4 測量電路測量電路 (1) 調(diào)頻電路調(diào)頻電路)(212101CCCCLLCfi (1) 調(diào)頻電路調(diào)頻電路當(dāng)被測信號為零時，當(dāng)被測信號為零時，C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測信號不為零時，當(dāng)被測信號不為零時，c0，此時頻率為，此時頻率為具有較高的靈敏度，可測至具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量易于用數(shù)字儀器級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與

26、計算機通訊，抗干擾能力強測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強)(21010CCCLfiffCCCCLfi001)(215.6.4 測量電路測量電路(2). 運算放大器電路運算放大器電路最大特點最大特點：能克服變極距型電容傳感器的非線性：能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容是傳感器電容C是固定電容是固定電容u0是輸出電壓信號是輸出電壓信號 運算放大器式電路原理圖運算放大器式電路原理圖uC-ACxu05.6.4 測量電路測量電路uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()/ ) ( SCxuuCS0 結(jié)論結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的：從原理上保證了變極距型電容式傳感

27、器的線性線性5.6.4 測量電路測量電路 (2). 運算放大器式電路運算放大器式電路由運算放大器工作原理可知由運算放大器工作原理可知 ：5.6.4 測量電路測量電路 (3)二極管雙二極管雙T型電路型電路e是高頻電源是高頻電源, 它提供幅值為它提供幅值為Ui 的的對稱方波對稱方波, VD1、VD2為特性完為特性完全相同的兩個二極管全相同的兩個二極管, R1 = R2 = R, C1、C2為傳感器的兩個差動電為傳感器的兩個差動電容。容。正半周正半周負(fù)半周負(fù)半周UERRRULLEiC2C2U0RRLR5.6.4 測量電路測量電路 (3)二極管雙二極管雙T型電路型電路在在R+(RRL)/(R+RL)C

28、2T/2時，正半周電容時，正半周電容C2的平均電流為：的平均電流為：2221CURRRRTIELLC在負(fù)半周時，電容在負(fù)半周時，電容C1的平均電流為的平均電流為 1121CURRRRTIELLC在負(fù)載在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為上產(chǎn)生的電壓為 )(2)(21221CCTURRRRRRICICRRRRUELLLLLO (3)二極管雙二極管雙T型電路型電路線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為輸出

29、阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；內(nèi)阻的缺點；適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器 。 5.6.4 測量電路測量電路5.6.4 測量電路測量電路 (4). 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路 利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化寬度隨傳感器電容量變化而變化 通過低通濾波器就能得到對應(yīng)被測量變化的直通過低通濾波器就能得到對應(yīng)被測量變化的直流信號流信號 5.6.4 測量電路測量電路 (4). 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖

30、調(diào)寬電路設(shè)電源接通時，設(shè)電源接通時，UA=U，而，而UB=0。此。此時，時，UA必經(jīng)過必經(jīng)過R1對對C1充電，使電容充電，使電容C1上的電壓按指數(shù)規(guī)律上升，時間上的電壓按指數(shù)規(guī)律上升，時間常數(shù)為常數(shù)為1=R1C1。當(dāng)當(dāng)F點的電位略高于參考電壓點的電位略高于參考電壓Ur，比，比較器較器A1翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器也跟著翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器也跟著翻轉(zhuǎn)，Q端（即端（即A點）由高電平降為低電平點）由高電平降為低電平，同時，同時Q(-)端（即端（即B點）由低電平升點）由低電平升為高電平；為高電平；此時電容器此時電容器C1上充有的電荷將經(jīng)二上充有的電荷將經(jīng)二極管極管VD1迅速放電到迅速放電到0，這又導(dǎo)致比，這又導(dǎo)致比較

31、器較器A1再翻轉(zhuǎn)成為輸出為正。再翻轉(zhuǎn)成為輸出為正。5.6.4 測量電路測量電路 (4). 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路從觸發(fā)器從觸發(fā)器B點升為高電平開始點升為高電平開始，UB即經(jīng)過即經(jīng)過R2按指數(shù)規(guī)律，以按指數(shù)規(guī)律，以時間常數(shù)時間常數(shù)2=R2C2的速率對的速率對C2充充電，電，G點電位上升，當(dāng)點電位上升，當(dāng)UGUr時，比例器時，比例器A2翻轉(zhuǎn)，其輸出端翻轉(zhuǎn)，其輸出端由正變?yōu)樨?fù)，這一負(fù)跳便促使由正變?yōu)樨?fù)，這一負(fù)跳便促使觸發(fā)器又一次翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器又一次翻轉(zhuǎn)，使B點為點為低電平，低電平，A點為高電平。點為高電平。重復(fù)上述過程，如此周而復(fù)始重復(fù)上述過程，如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端，在雙

32、穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受各自產(chǎn)生一寬度受C1和和C2調(diào)制調(diào)制的方波脈沖。的方波脈沖。 5.6.4 測量電路測量電路 (4). 差動差動脈沖調(diào)脈沖調(diào)寬電路寬電路UAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為為 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中式中UA、UBA點和點和B點的矩形脈沖的直流分量；點的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為分別為C1和和C2的充電時間；的充電時間； U1觸發(fā)器輸出的高電位。觸發(fā)器輸出的高電位。5.6.4 測量電路測量電路 (4). 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路C1、C2的充電時間的充電時

33、間TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln式中式中 Ur觸發(fā)器的參考電壓觸發(fā)器的參考電壓 設(shè)設(shè)R1=R2=R，則得，則得 UCCCCUr01212結(jié)論結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比 5.6.4 測量電路測量電路 (4). 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路設(shè)電容設(shè)電容C1和和C2的極間距離和面積分別為的極間距離和面積分別為d1、d2和和S1、S2 差動變極距型差動變極距型差動變面積型差動變面積型 EUddddU12120EUSSSSU12210特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳特性：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任

34、何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性感器，并具有理論上的線性特性 5.6.4 測量電路測量電路 (4). 差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路5.6.4 測量電路測量電路(4). 差動脈沖調(diào)寬電路的優(yōu)點差動脈沖調(diào)寬電路的優(yōu)點 采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高 不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求 也不需要相敏檢波與解調(diào)等也不需要相敏檢波與解調(diào)等 對元件無線性要求對元件無線性要求 經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 對輸出矩形波的純度要求也不高對輸出矩形波的純度要求也不高 5.6.5 誤差分析誤差分析 溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響

35、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響電容器的電容變化如下式所示電容器的電容變化如下式所示C=C0+CP+CT 在初始溫度在初始溫度t0時，間隙為時，間隙為d0=L-h1-h2 當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化t時，間隙為時，間隙為dt=L(1+aLt)-h1(1+ah1t)-h2(1+ah2t)tahahLadtahahLadddCCChhLhhLtttt)()(2211022110000) 1() 1(02211daahaahLhLh設(shè)計電容器時應(yīng)根據(jù)合理的初始電容值選取設(shè)計電容器時應(yīng)根據(jù)合理的初始電容值選取d0，然后再根據(jù)，然后再根據(jù)ah1和和ah2選擇選擇h1和和h2以實現(xiàn)溫度補償。以實現(xiàn)溫度補償。 令分子為令分子

36、為0并將并將d0表達式帶入可得：表達式帶入可得：5.6.5 誤差分析誤差分析溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響空氣及云母介電常數(shù)的溫度系數(shù)可認(rèn)為等于零，空氣及云母介電常數(shù)的溫度系數(shù)可認(rèn)為等于零，而某些液體介如煤油、硅油、蓖麻油、甲基硅油而某些液體介如煤油、硅油、蓖麻油、甲基硅油等就必須注意由此引起的誤差。等就必須注意由此引起的誤差。溫度誤差一般可用后接的測量電路進行一定的補溫度誤差一般可用后接的測量電路進行一定的補償，但完全消除是困難的。償，但完全消除是困難的。 電容電場的邊緣效應(yīng)電容電場的邊緣效應(yīng))(116(ln(6 . 320dhfdrrdrC邊 緣 電 場均 勻 電 場33

37、215.6.5 誤差分析誤差分析寄生與分布電容的影響寄生與分布電容的影響(1).縮短傳感器到測量電路前置級的距離縮短傳感器到測量電路前置級的距離(2).驅(qū)動電纜法驅(qū)動電纜法使用電纜屏蔽層電位跟蹤與電纜使用電纜屏蔽層電位跟蹤與電纜相連接的傳感器電容極性電位，相連接的傳感器電容極性電位，要求二電位的幅值和相位均相同，要求二電位的幅值和相位均相同，從而消除電纜分布電容的影響。從而消除電纜分布電容的影響。驅(qū)動電纜法是目前解決電纜電容驅(qū)動電纜法是目前解決電纜電容影響問題的有效辦法影響問題的有效辦法 5.6.5 誤差分析誤差分析 寄生與分布電容的影響寄生與分布電容的影響 (3).整體屏蔽法整體屏蔽法 將整

38、個橋體（包括供電電將整個橋體（包括供電電源及傳輸電纜在內(nèi)）用一源及傳輸電纜在內(nèi)）用一個統(tǒng)一屏蔽保護起來。而個統(tǒng)一屏蔽保護起來。而其關(guān)鍵則在于正確地選取其關(guān)鍵則在于正確地選取接地點接地點 5.6.5 誤差分析誤差分析漏電阻的影響漏電阻的影響電容傳感器的容抗都很高，特別是在激勵電壓較低時。因此電容傳感器的容抗都很高，特別是在激勵電壓較低時。因此在與測量線路配接時，當(dāng)兩極板間總的漏電阻與此容抗相近在與測量線路配接時，當(dāng)兩極板間總的漏電阻與此容抗相近時，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)總靈敏度的影響，它將使靈時，就必須考慮分路作用對系統(tǒng)總靈敏度的影響，它將使靈敏度下降。敏度下降。為了克服這一分路造成的不良后果

39、，應(yīng)認(rèn)真選取兩極板間支為了克服這一分路造成的不良后果，應(yīng)認(rèn)真選取兩極板間支架材料，激勵頻率越低，所選材料的絕緣性能要越好。此外架材料，激勵頻率越低，所選材料的絕緣性能要越好。此外支架沿面的漏電阻也要特別注意，為此，在裝配傳感器時要支架沿面的漏電阻也要特別注意，為此，在裝配傳感器時要先對零件進行清洗、烘干后再裝配。當(dāng)然，適當(dāng)在提高激勵先對零件進行清洗、烘干后再裝配。當(dāng)然，適當(dāng)在提高激勵電源的頻率也可以降低對材料絕緣性能的要求，但在某些情電源的頻率也可以降低對材料絕緣性能的要求，但在某些情況下，頻率增高也受限制，例如在對寄生電容影響抑制不強況下，頻率增高也受限制，例如在對寄生電容影響抑制不強的線路中工作時就是這樣。的線路中工作時就是這樣。 5.6.6 應(yīng)用應(yīng)用 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器。成的固定電極組成的差動電容器。 當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并使當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時之產(chǎn)生位移時, 形成的兩個電容器的電形成的兩個電容器的電容量容量, 一個增大一個增大, 一個減小。該電容值一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓的