传感器与检测技术

1、 压力检测压力检测压力计压力计石化事故石化事故(大连，大连，2011)目录目录5.1 5.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法5.2 5.2 常用压力检测仪表常用压力检测仪表5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统5.1 5.1 压力单位及压力测量压力单位及压力测量l压力压力: :在在工程上工程上，垂直均匀垂直均匀地作用于单位面积地作用于单位面积上的力。上的力。5.1.1 5.1.1 压力的单位压力的单位 1“ 1“帕斯卡帕斯卡” ” ：1 1牛顿力垂直均匀地作用在牛顿力垂直均匀地作用在1 1平方米面积平方米面积上所形成的压力。符号为上所形成的压力。

2、符号为PaPa。 千帕千帕(kPa(kPa), ), 兆帕兆帕(MPa(MPa) ) 标准大气压：标准大气压：1.013251.01325* *10105 5 PaPa 毫米水柱毫米水柱(mmH(mmH2 2O) O) 毫米汞柱毫米汞柱(mmHg) (mmHg) 5.1.2 5.1.2 压力的几种表示方法压力的几种表示方法l1 1）绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力）绝对压力：被测介质作用在容器表面积上的全部压力l2 2）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力。）大气压力：由地球表面空气柱重量形成的压力。l3 3）表压力：绝对压力和大气压力之差。）表压力：绝对压力和大气压力之差。

3、l4 4）真空度：绝对压力小于大气压力时的表压力的绝对值。）真空度：绝对压力小于大气压力时的表压力的绝对值。l5 5）差压：设备中两处的）差压：设备中两处的 压力之差。压力之差。l5.1.3.1 5.1.3.1 重力平衡方法重力平衡方法1 1）液柱式压力计：基于液体静力学原理。）液柱式压力计：基于液体静力学原理。5.1.3 5.1.3 压力检测的主要方法及分类压力检测的主要方法及分类优点：结构简单，读数直观。优点：结构简单，读数直观。缺点：就地测量，测量上限缺点：就地测量，测量上限不超过不超过0.1MPa-0.2MPa0.1MPa-0.2MPa。p=p1-p2=gp=p1-p2=g h h 2

4、 2）负荷式压力计）负荷式压力计l基于重力平衡原理基于重力平衡原理(活塞式压力计活塞式压力计)压力转换成砝码重量来测量。压力转换成砝码重量来测量。优点：性能稳定，测量范围大。优点：性能稳定，测量范围大。用作压力校验仪表。用作压力校验仪表。5.1.3.2 5.1.3.2 机械力平衡方法机械力平衡方法 被测压力经变换元件转换成集中力被测压力经变换元件转换成集中力外力与集中力平外力与集中力平衡衡测外力大小测外力大小5.1.3.3 5.1.3.3 弹性力平衡方法弹性力平衡方法被测压力使弹性元件变形被测压力使弹性元件变形 弹性力与被测压力平衡弹性力与被测压力平衡测量元件变形程度测量元件变形程度5.1.3

5、.4 5.1.3.4 物性测量方法物性测量方法压力作用下，测压元件某些物理特性变化。压力作用下，测压元件某些物理特性变化。1 1）电测式压力计）电测式压力计 ( (电阻、电容电阻、电容) ) 2 2）其他新型压力计，如集成式压力计、光纤）其他新型压力计，如集成式压力计、光纤压力计等压力计等5.2 5.2 常用压力检测仪表常用压力检测仪表5.2.1 5.2.1 弹性压力计弹性压力计弹性压力计的组成框图弹性压力计的组成框图核心：弹性元件。核心：弹性元件。v原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例。力成比例。5.2.1 弹性压力计弹

6、性压力计l5.2.1.1 5.2.1.1 测压弹性元件测压弹性元件l1 1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状。弹性特性由中）弹性膜片：外缘固定，圆形片状。弹性特性由中心位移与压力的关系表示，线性关系良好。心位移与压力的关系表示，线性关系良好。2 2）波纹管）波纹管 壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系。和压力在一定范围内呈线性关系。3 3）弹簧管）弹簧管 横截面呈非园形（椭圆形或扁形），弯成园弧形的横截面呈非园形（椭圆形或扁形），弯成园弧形的空心金属管。空心金属管。 对于单圈弹簧管对于单圈弹簧管, , 中心角变

7、中心角变化量化量比较小比较小, , 要提要提，可采用多圈弹簧管。可采用多圈弹簧管。 开口端通入被测压力开口端通入被测压力 非圆横截非圆横截面在压力面在压力p p作用下将趋向圆形作用下将趋向圆形使弹使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩簧管有伸直的趋势而产生力矩使弹使弹簧管的自由端产生位移簧管的自由端产生位移, , 同时改变中同时改变中心角。心角。 5.2.1.2 5.2.1.2 弹簧管压力计弹簧管压力计11弹簧管；弹簧管；22连杆；连杆；33扇形齿轮；扇形齿轮；44底座；底座；55中心齿轮；中心齿轮；66游丝；游丝；77表盘；表盘；88指针；指针；99接头；接头；1010横断面；横断面；11-11-灵

8、敏度调整槽灵敏度调整槽工作原理工作原理测压范围：测压范围：-10-105 510109 9PaPa5.2.1.3 5.2.1.3 波纹管差压计波纹管差压计双波纹管差压计结构示意双波纹管差压计结构示意11高压波纹管；高压波纹管；22补偿波纹管；补偿波纹管；33连杆；连杆；44挡板；挡板；55摆杆；摆杆；66扭力管；扭力管；77芯轴；芯轴；88保护阀；保护阀；99填充液；填充液；1010低压波纹管；低压波纹管；1111量程弹簧；量程弹簧；1212阻尼阀；阻尼阀；1313阻尼环；阻尼环；1414轴承轴承 改变量程弹簧的弹性力可改变量程弹簧的弹性力可调整仪表量程。调整仪表量程。5.2.1.4 5.2.

9、1.4 弹性测压计信号的远传方式弹性测压计信号的远传方式 弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送。现远距离信号传送。1 1）电位器式）电位器式应用：滑线电位器。应用：滑线电位器。特点：简单，有良好特点：简单，有良好线性输出，结构可靠线性输出，结构可靠性差。性差。2 2）霍尔元件式）霍尔元件式l霍尔效应霍尔效应磁场磁力线与薄片垂直磁场磁力线与薄片垂直1-21-2通电流通电流i i3-43-4感生电动势感生电动势BidREcHH5.2.2 5.2.2 力平衡式压力计力平衡式压力计l原理：反馈力平衡原理：反馈力平衡力平衡式压力计的基本

10、框图力平衡式压力计的基本框图5.2.3 5.2.3 压力传感器压力传感器压力传感器：能够检测压力值并提供远传信号的装置压力传感器：能够检测压力值并提供远传信号的装置常见形式：常见形式：应变片式、压阻式应变片式、压阻式( (电阻传感器电阻传感器) ) 电容式电容式( (电容传感器电容传感器) )、压电式、振频式等、压电式、振频式等主要思路：工作原理、测量电路、应用主要思路：工作原理、测量电路、应用( (压力压力) )电阻式传感器电阻式传感器 基本原理基本原理：将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过：将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。转换电路变成电信号输出。 特点：

11、结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高特点：结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高和测量速度快等诸多优点，被广泛应用于航空、机械、电和测量速度快等诸多优点，被广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等许多领域力、化工、建筑、医学等许多领域 测量对象：测量对象：力、压力力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等，是、位移、应变、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。目前使用最广泛的传感器之一。 分类：电位式、分类：电位式、应变片式、压阻式应变片式、压阻式电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器slR一、工作原理一、工作原理应变效应：当应变元件（导体或半导体）在外力作用下发应变效应：

12、当应变元件（导体或半导体）在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化的现象。生机械变形时其电阻值将发生变化的现象。2rsslR2rsslR2rsslR2ldRdldsdRsRlsdRdldrdRlrF l、S 、Rdll轴向应变：轴向应变：为电阻丝材料的泊松比，一般金属为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.3=0.30.50.5；/dr r 径向应变：径向应变：应力值；：应力值； E E：材料的弹性模量；：材料的弹性模量；对于弹性元件：对于弹性元件：E/dE 又因为又因为：压阻系数，与材质有关；：压阻系数，与材质有关；KERdR)21 (其中，其中， K为为应变片的灵敏系数：单位应变所引起的电

13、阻应变片的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量相对变化量一般金属材料：一般金属材料：K以前者为主，则以前者为主，则K1+2=26半半 导导 体：体：K值主要是由电阻率相对变化所决定。值主要是由电阻率相对变化所决定。最终有最终有l电阻应变片的灵敏度K=2.0，沿纵向粘贴于半径 为 0 . 0 5 m 的 圆 形 钢 柱 表 面 ， 钢 材 的E=2.01011N/m2，u=0.3。求钢柱受10吨拉力作用时，应变片电阻的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？应变元件种类应变元件种类1 1丝式应变片丝式应变片1 1基底；基底；2 2电阻丝；电阻

14、丝；3 3覆盖层；覆盖层；4 4引线引线 敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件，由直径为敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件，由直径为0.0150.0150.050.05 mmmm的金属细丝绕成栅状，将其用黏结剂黏结在各种绝缘基底上，并用引的金属细丝绕成栅状，将其用黏结剂黏结在各种绝缘基底上，并用引线引出，再盖上既可保持敏感栅和引线形状与相对位置的、又可保护线引出，再盖上既可保持敏感栅和引线形状与相对位置的、又可保护敏感栅的盖片。电阻应变片的电阻值有敏感栅的盖片。电阻应变片的电阻值有6060 、120120 、200200 等几种规等几种规格，其中格，其中120120 最为常用。最为常用。栅栅

15、2 2箔式应变片箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为0.0030.0030.01mm0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。优点：刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。优点： 制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。以适应不同的测量要求。 敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。散热性能好，允许通过较大的工作电

16、流，从而可增大输出信号。 敏感栅弯头横向效应可以忽略。敏感栅弯头横向效应可以忽略。 蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。3 3薄膜应变片薄膜应变片 薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅，敏感栅的厚度在敏感栅，敏感栅的厚度在0.10.1 m m以下。薄膜应以下。薄膜应变片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特变片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特点，是一种很有前途的新型应变片。点，是一种很有前途的新型应变片。弹性元件的形式弹性元件的形式几种应变式测

17、量的结构示意几种应变式测量的结构示意tr膜片R1R2 R3R4膜片式膜片式等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷 b0h 等截面悬臂梁EbhlF26弹性梁弹性梁b0h 等强度悬臂梁 EhblF206弹性梁弹性梁 双端固定梁EbhlF243弹性梁弹性梁21)2/(32EbhhRF二：电阻应变片测量电路二：电阻应变片测量电路直流电桥直流电桥：R R交流电桥交流电桥: R: R、L L、C C电源电源双臂应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥全臂应变电桥工作臂工作臂应变片测量电桥应变片测量电桥( (直流电桥直流电桥) )1324R RR R初始平衡条件：初

18、始平衡条件：3214RRRR或或0,000IU此时此时 R1R2R3R4UsILRL14123413241234()()ossRRUURRRRR RR RURRRR当当RL时，电桥输出电压为：时，电桥输出电压为： （1 1）应变片单臂工作直流电桥）应变片单臂工作直流电桥1141123413112343141312114()()11osssRRRUURRRRRR RURRRRRRRRRURRRRRR121(1)osRnUUnR设桥臂比设桥臂比n=R2/R1，由于，由于R1R1，则上式可写为：则上式可写为： 1141123413112343141312114()()11osssRRRUURRRRR

19、R RURRRRRRRRRURRRRRR（1 1）应变片单臂工作直流电桥）应变片单臂工作直流电桥1021/()()(1)UsRnKUURn相对相对灵敏度灵敏度: : 电桥相对灵敏度正比于电桥供电电压，电桥相对灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高，灵敏度越高，但供电电压受供电电压越高，灵敏度越高，但供电电压受到应变片允许功耗限制，所以要适当选择；到应变片允许功耗限制，所以要适当选择； 电桥相对灵敏度是桥臂电阻比值电桥相对灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比的函数，恰当地选择桥臂比n的的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。(n取何值，取何值，K最高？最

20、高？)分析：思路：分析：思路：dKU/dn = 0求求KU的最大值的最大值 2410(1)UdKndnn因此因此n=1时，时，KU为最大值。即为最大值。即Us确定后，当确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥时，电桥相对灵敏度最高，此时有：相对灵敏度最高，此时有： ,444sssUoUUURKUKR结论结论1：当电源电压当电源电压Us和电阻相对变化量和电阻相对变化量R/R一定时，一定时， 电桥的输电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 结论结论2：应变片电桥电路一般应变片电桥电路一般采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1

21、= R2= R3=R4=R1234132401234()(2)(2)RRRRRR RRRUURRRRRR 当当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则 31240123444SURRRRURRRRUK应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R，则输出为，则输出为 U0R1R1R3R3R4 R4UsR2 R2（2 2）应变片双臂直流电桥（半桥）应变片双臂直流电桥（半桥） 双臂差动：相邻桥臂变化相同方向相反，或者双臂差动：相邻桥臂变化相同方向相反，或者相对桥臂变化相同方向相同。相对桥臂变化相同方向相同。相邻桥臂工作相邻桥臂工作114112

22、2341341234()()()2osssRRRUURRRRRRR RRURRRRURRCase1Case1：相邻桥臂工作：相邻桥臂工作（2 2）应变片双臂直流电桥（半桥）应变片双臂直流电桥（半桥） 114112344(2)2osssRRRUURRRRRRRURRURR相对桥臂工作相对桥臂工作Case2Case2：相对桥臂工作：相对桥臂工作U0R1R1R3R3R4UR2,222sssUoUUURKUKR结论：结论：半桥电路中一般采用相邻桥半桥电路中一般采用相邻桥臂工作，不存在近似！臂工作，不存在近似！ （3 3）应变片全臂直流电桥）应变片全臂直流电桥l需满足前提需满足前提: :相邻桥臂应变片变

23、化量相同方向相反。相邻桥臂应变片变化量相同方向相反。114411223344244osssRRRRUURRRRRRRRR RURRUR ,UsossRKUUUU KR应用一：称重计应用一：称重计 图 电子秤结构示意图应用二：汽车衡应用二：汽车衡F外形图内部图展开图 荷重荷重传感器上传感器上的应变片的应变片在重力作在重力作用下产生用下产生变形。纵变形。纵向变短，向变短，横向变长横向变长原理演示原理演示应用三：加速度应用三：加速度它由端部固定并带有惯性质量块它由端部固定并带有惯性质量块m m的悬的悬臂梁及贴在粱根部的应变片、基座及臂梁及贴在粱根部的应变片、基座及外壳等组成，是一种惯性式传感器。外壳

24、等组成，是一种惯性式传感器。 测量时，根据所测振动体加速度的方向，测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂粱加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂粱自由端受惯性力自由端受惯性力F F的作用，质量块向箭的作用，质量块向箭头相反的方向相对于基座运动，使梁发头相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。正比。 质量块质量块M案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器适合于金

25、库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。破坏行为均可及时发现。 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。应称为压阻效应。半导体电阻率半导体电阻率)1 (RR对半导体材料而言，对半导体材料而言，故故(1+)(1+)项可以忽略项可以忽略一般材料一般材料: :压阻式传感器压阻式传感器(1) 桥式测量电路，桥臂桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。所受压力成对应关系。压阻式压力传

26、感器结构示意图压阻式压力传感器结构示意图11硅平膜片；硅平膜片；22低压腔；低压腔；33高压腔；高压腔；44硅杯；硅杯；55引线引线测量桥路及温度补偿测量桥路及温度补偿l为了减少温度影响，压为了减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源阻器件一般采用恒流源供电供电. .RIRRRIRRRIUUTTBDSC2121IIIADCABC21 零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。系数不一致造成的。 R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi零点温度补偿零点温度补偿RsRs: :调零作用调零作用RpRp: :补偿作用补偿作用 灵敏度温度漂

27、移是由于压阻系数随温度变化而引起灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的。温度升高时，压阻系数变小；灵敏度降低。的。温度升高时，压阻系数变小；灵敏度降低。灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿 串联二极管的方法。串联二极管的方法。温度变化时改变电桥的温度变化时改变电桥的电源电压电源电压。 R2R4R1R3USCRpBCDARSEDi 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。电容变化量的一种传感器。利用电容器的原理利用电容器的原理将被测将被测非电量非电量转换为转换为电容量的变化电容量的变化，实现非电量到电量的转化

28、。，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式。式、变面积式和变介电常数式。应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量量的精密测量, ,而且可以用于压力、差压、液面、料面、成分而且可以用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。含量等方面的测量。 电容式传感器电容式传感器一、工作原理及类型一、工作原理及类型dS0rSSCdd 当被测参数变化使得当被测参数变化使得S、 d或或发生变化时，电容量发生变化时，电

29、容量C也随之也随之变化。变化。电容式传感器可分为电容式传感器可分为变间隙（极距）型、变面积型和变变间隙（极距）型、变面积型和变介电常数（介质）型介电常数（介质）型三种。三种。r 介质的相对介电常数；介质的相对介电常数；0 真空中的介电常数，真空中的介电常数，0=8.8510-12 F/m； S 两极板正对面积，两极板正对面积，m2； d 两极板之间的距离，两极板之间的距离，m。1. 变面积型电容传感器变面积型电容传感器Sdaxbx线位移型电容传感器原理图线位移型电容传感器原理图(1)线位移型线位移型动极板沿定极板移动动极板沿定极板移动x，则电容量变化为：，则电容量变化为：000CdbxaCCC

30、r式中；式中；C0=0r b a /d 为初始电容，电容相对变化量为：为初始电容，电容相对变化量为：axCC0显然，显然，C与与动极板位移动极板位移x呈呈线性线性关系关系Sdaxbx(1)线位移型线位移型(2)角位移型角位移型动极板动极板定极板定极板电容式角位移传感器原理图电容式角位移传感器原理图当动极板产生角位移当动极板产生角位移时时, 与定极板间的与定极板间的有效覆盖面积改变有效覆盖面积改变, 两极板间的电容量改两极板间的电容量改变。当变。当=0 时时, 000rSCd 当当0时时, 则则:00001rSCCCd 可见，可见，电容的变化电容的变化C=-C0(/)与与角位移角位移成成线性线性

31、关系。关系。动极板动极板定极板定极板(2)角位移型角位移型(3)(3)圆柱位移型圆柱位移型d D H h圆柱位移型电容传感器原理结构示意图圆柱位移型电容传感器原理结构示意图当当h = 0 时时, 02lnHCDd 于是：于是： HhCCC00002lnhhChCCDHCHd 可见，可见，电容量的变化电容量的变化C与与高度的变化高度的变化 h 呈呈线性线性关系关系d D H h(3)(3)圆柱位移型圆柱位移型变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器 d02.变极距型电容传感器变极距型电容传感器初始电容量初始电容量C0为为 000dSCr若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d0缩小

32、了缩小了d，电容量增大了，电容量增大了C000001rSCCCCdddd 2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器2300000011ddddCCCdddd若若d/d01时，则展成级数：时，则展成级数：00ddCC2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 所以所以变极距型电容式传感器只有在变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，很小时，才有才有近似近似的的线性线性关系关系。 另外，电容式传感器的灵敏度为：另外，电容式传感器的灵敏度为：可见，要提高灵敏度，应减小可见，要提高灵敏度，应减小d0。但。但d0过小，容易引起电容器过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板

33、击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。间加云母、塑料膜等介质。00dCdCSn相对非线性误差相对非线性误差：上述等式成立的条件是：上述等式成立的条件是：d/d01时，高次项省略，若保留二时，高次项省略，若保留二次项，则有：次项，则有：)1 (000ddddCC可得其相对非线性误差为可得其相对非线性误差为：%100/%100/0020dddddd）（可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线性，但此时相对非线性误差误差增大。所以为使二者兼得，常采用增大。所以为使二者兼得，常采用差动式结构差动式结构，即使其，即使其

34、中一个电容器的电容中一个电容器的电容C1随位移随位移d增加，而另一个电容器的电容增加，而另一个电容器的电容C2则减小。则减小。差动式电容传感器差动式电容传感器10011CCdd10011CC若电极位移若电极位移d，d2d020011CCdd23100001()().dddCCddd23200001()().dddCCddd电容值总的变化量为：电容值总的变化量为：240000021 ()().2CddddCdddd电容值相对变化量为：电容值相对变化量为：在在d /d 0 1时，按级数展开时，按级数展开：3512000022()2().dddCCCCddd差动式电容传感器差动式电容传感器若只保留上

35、式中的线性项和三次项若只保留上式中的线性项和三次项, 电容式传感器的电容式传感器的相对非相对非线性误差线性误差为：为：302002 ()100%()100%2()dddddd 差动式电容传感器差动式电容传感器灵敏度灵敏度是原来的是原来的2倍倍 零点附近的零点附近的非线性误差非线性误差大大大大降低降低。 差动式电容传感器差动式电容传感器xBACCC相当于两电容并联：相当于两电容并联：2211ddbxCA其中：其中：121)(ddxlbCB2110ddblC取取x=0时电容为时电容为C0，有，有3.变介质型电容传感器变介质型电容传感器 电容与电容与x的关系推导如下：的关系推导如下：12102211

36、ddbxCddbxCCCBAxddlCC212121001结论：电容与位移结论：电容与位移x x之间呈线性关系。之间呈线性关系。运算放大器式电路运算放大器式电路 C Cx x是传感器电容是传感器电容C C是固定电容是固定电容u u0 0是输出电压信号是输出电压信号 uC-ACxu0测量电路测量电路uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()dSCx/ ) (dSuCu 0l 变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。如图所示。C C0 0=200pF=200pF，传感器的起始电容量，传感器的起始电容量C Cx0 x0=20pF,=2

37、0pF,定动极板距离定动极板距离d d0 0=1.5mm,=1.5mm,运算放大器为理想放大器运算放大器为理想放大器( (即即K,K,Z Zi i),), 输入电压输入电压u u1 1=5sin=5sint tV V。 求当电容传感动极板上输求当电容传感动极板上输 入一位移量入一位移量x x=0.15mm=0.15mm使使 d d0 0减小时减小时, ,电路输出电压电路输出电压u u0 0 为多少为多少? ? (2)(2)二极管双二极管双T T型电路型电路 U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL电源为正半周电源为正半周D D1 1短路，短路，D D2 2开路，开路，电源为负半周电源为负半

38、周D D2 2短路，短路，D D1 1开路开路. .0122(2)()()LLELRRRRUUCCRRT测量电路测量电路两室结构的电容式压力传感器两室结构的电容式压力传感器1 1，44隔离膜片；隔离膜片；2 2，33不锈钢基不锈钢基座；座；55玻璃绝缘层；玻璃绝缘层；66固定电极；固定电极；77弹性膜片；弹性膜片；88引线引线 弹性膜片和固定电极组成差弹性膜片和固定电极组成差动电容器。动电容器。 硅油传压硅油传压弹性膜片产生弹性膜片产生位移位移两侧电容改变。两侧电容改变。应用一：压力应用一：压力 电容传声器核心是平板电容器，振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性电容传声器核心是平板电容器，

39、振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离薄膜，当膜片随着声波的压力的大小产生振动时，膜片与后极板之间的相对距离发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，发生变化，膜片与极板所构成电容器的量就发生变化。极板上的电荷随之变化，电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声音信号与电信号的转换。信号与电信号的转换。应用二：电容声传感器应用二：电容声传感器1C2Cam1C2C应用三：电容加速度传感器应用三：电容加

40、速度传感器加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 装有传感装有传感器的假器的假人人气囊气囊常规的键盘有机械按键常规的键盘有机械按键和电容按键两种。和电容按键两种。电容式键盘是基于电容电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，是无触点非接触式的，磨损率极小磨损率极小。应用四：电脑键盘应用四：电脑键盘图为IBM ThinkpadT42/T43 的指纹识别传感器应用五：指纹识别传感器应用

41、五：指纹识别传感器l指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面。当用户的手指放在上面时，金属导体阵列是一层绝缘的表面。当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。的）与金属导体之间的距离不同而变化。优点：体积小、成本低、成像精度高、耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。5.2.3.4 5.2.3.4 振

42、频式压力传感器振频式压力传感器 原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力的关原理：利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系，通过测量频率信号的变系，通过测量频率信号的变 化来检测压力。化来检测压力。 在一定的压力作用下，变化在一定的压力作用下，变化 后的振筒频率可以近似表示为后的振筒频率可以近似表示为01Pffp振筒式压力传感器结构示意振筒式压力传感器结构示意11激振线圈；激振线圈；22支柱；支柱；33底座；底座；44引线；引线；55外壳；外壳；66振动筒；振动筒；77检测线圈；检测线圈；88压力入口压力入口5.2.3.5 5.2.3.5 压电式压力传感器压电式压力传感器l 正压电效应（顺压电效应

43、）正压电效应（顺压电效应）l 逆压电效应（电致伸缩效应）逆压电效应（电致伸缩效应）压电效应压电效应压电材料压电材料 压电晶体：如石英等；压电晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等。压电半导体：如硫化锌、碲化镉等。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化等效电路及信号变换电路等效电路及信号变换电路aSCd其电容量为：其电容量为： 电压大小为：电压大小为：aaqUC。压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 (a)(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q Q与一个电容与一个电容C Ca a并联的

44、电路并联的电路 (b)(b)等效成一个电源等效成一个电源U U = = Q Q/ /C Ca a 和一个电容和一个电容C Ca a的串联电路的串联电路 压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路l关键：高阻抗的前置放大器关键：高阻抗的前置放大器 前置放大器两个作用前置放大器两个作用: :l把压电式传感器的微弱信号放大；把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。C Ca a：传感器的固有电容；：传感器的固有电容；C Ci i：前置放大器输入电容：前置放大器输入电容 ；C Cc c：连线电容；：连线电容；R Ra a：传感器

45、的漏电阻；：传感器的漏电阻；R Ri i：前置放大器输入电阻。：前置放大器输入电阻。iaiaRRRRRicaCCCC前置放大器输入电压：前置放大器输入电压： RCjRiUi1输出信号分析输出信号分析l压电元件的力压电元件的力 F=FF=Fm msintsintl压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为k k，产生的电荷为，产生的电荷为Q = Q = k kF F。cosmdQik Ftdt Ijk F 1ij RUkFj RC。压力传感器结构压力传感器结构压电式压力传感器结构示意压电式压力传感器结构示意11绝缘体；绝缘体；22压电元件；压电元件；33壳体；壳体；44膜片膜片步态分析跑台步态分析

46、跑台纵跳训练分析装置纵跳训练分析装置5.3 5.3 测压仪表的使用及压力检测系统测压仪表的使用及压力检测系统l5.3.1 5.3.1 测压仪表的使用测压仪表的使用l5.3.1.1 5.3.1.1 测压仪表的选择测压仪表的选择1 1）精度等级选择）精度等级选择2 2）量程选择）量程选择 稳定压力：最大被测压力不超过测量上限的稳定压力：最大被测压力不超过测量上限的2/32/3。 脉动压力：最大被测压力不超过测量上限的脉动压力：最大被测压力不超过测量上限的1/21/2。 高压：最大被测压力不超过测量上限的高压：最大被测压力不超过测量上限的3/53/5。 最小被测压力一般不小于测量上限的最小被测压力一

47、般不小于测量上限的1/31/3。 l 有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为范围为13.513.516 MPa16 MPa ，工艺要求最大测量误，工艺要求最大测量误差为差为0.8 MPa0.8 MPa，并可就地观察及高低限报警。，并可就地观察及高低限报警。试选一合适的压力表（包括测量范围、精度等试选一合适的压力表（包括测量范围、精度等级）。级）。l测量范围选择为测量范围选择为:0:020Mpa20Mpa、0 040MPa40MPa、0 060Mpa60Mpal精确等级选择为：精确等级选择为：1 1级、级、1.51.5级、级、2.52.5级。级。l解：仪表

48、量程选择解：仪表量程选择l空压机的缓冲罐的压力视为脉动压力：空压机的缓冲罐的压力视为脉动压力：l根据就地观察及能进行高低报警的要求，可选根据就地观察及能进行高低报警的要求，可选用用YX-150YX-150型电接点压力表，测量范围为型电接点压力表，测量范围为0 040MPa40MPa。max216 232PPPal检验量程下限：检验量程下限：l被测压力的最小值不低于满量程的被测压力的最小值不低于满量程的1/31/3，符合，符合要求。要求。l最大引用误差：最大引用误差：l所以选择测量范围为所以选择测量范围为0 0 40 Mpa40 Mpa，精度等级，精度等级为为1.51.5级的级的YX-150YX-150型电接点压力表。型电接点压力表。13.51403PaPa0.8100%2%405.3.1.2 5.3.1.2 测压仪表的校验测压仪表的