第3章传统传感元件及检测技术1-电容式

1、航空检测技术3.4.1航空检测技术3.4.2传统式传感器传统式传感器电阻应变式电阻应变式电容式电容式磁电感应式磁电感应式磁敏式磁敏式压电式压电式航空检测技术3.4.33.4.1 基本工作原理及特性基本工作原理及特性3.4.2 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路3.4.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.4 电容式传感及检测技术电容式传感及检测技术航空检测技术3.4.41. 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为式中式中

2、电容器极板间介质的介电常数，电容器极板间介质的介电常数， (其中其中 为为真空的介电常数，真空的介电常数， =8.851012F/m， 为极板间介质的相对为极板间介质的相对介电常数介电常数)；A两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积；l两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。or oor3.4.1 基本工作原理及分类基本工作原理及分类lACr 0 航空检测技术3.4.5电容式传感器可分为电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变变极距型、变面积型和变介电常数型三种介电常数型三种。航空检测技术3.4.6（1）变极距型电容式传感器）变极距型电容式传感器)l/l(Cl/ll/lCllACrx000

3、200001112 0l 动极板 定极板 ll lCC 极距变化型电容式传感器结构原理 条件：测量范围条件：测量范围ll0航空检测技术3.4.7 灵敏度与极距灵敏度与极距l成反比，极距越小，灵敏度越高。成反比，极距越小，灵敏度越高。20lAdldCSr 灵敏度灵敏度实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件线性工作范围和克服外界条件( (如电源电压、环如电源电压、环境温度等境温度等) )的变化对测量精度的影响，常常采用的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器差动型电容式传感器。航空检测技术3.4.8 定极板 定极板 动极

4、板 2C 1C 2l 1l 差动式电容传感器结构原理图 中间一块极板为动极板，两边为定极板。当动极板移中间一块极板为动极板，两边为定极板。当动极板移动动l 距离，距离，l1=l0 - l ， l2=l0+ l 。对应的电容量。对应的电容量C1、C2的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提高一倍，非线性得到改善，且工作稳定性好。高一倍，非线性得到改善，且工作稳定性好。航空检测技术3.4.9002000000021212l/lC)l/l(l/lCllAllACCCrr 差差动动型型输输出出量量条件：测量范围条件：测量范围ll0（非差动型输出量）0000020

5、000/)/1 (/1/12llCCllCllllCllACrx航空检测技术3.4.1020lAdldCSr lACr 0 变极板间距离电容式传感器的优点是灵敏变极板间距离电容式传感器的优点是灵敏度高，可以进行非接触式测量，并且对被测度高，可以进行非接触式测量，并且对被测量影响较小，所以适宜于对微位移的测量。量影响较小，所以适宜于对微位移的测量。它的缺点是具有非线性特性，所以测量范围它的缺点是具有非线性特性，所以测量范围受到一定限制，另外传感器的寄生电容效应受到一定限制，另外传感器的寄生电容效应对测量精度也有一定的影响。对测量精度也有一定的影响。结论：结论：航空检测技术3.4.11线位移型电容

6、式传感器线位移型电容式传感器平面线位移平面线位移圆柱线位移圆柱线位移平面线位移型传感器如平面线位移型传感器如图，电容量为：图，电容量为：（2）面积变化型电容传感器）面积变化型电容传感器l)xa(bCrx 0 b x a l x A 航空检测技术3.4.12由由结论结论:面积变化型电容面积变化型电容传感器电容量传感器电容量C与水平位移呈与水平位移呈线性关系。线性关系。灵敏度灵敏度:lbdxdCSrx 0l)xa(bCrx 0航空检测技术3.4.132)电容式圆柱形传感器电容式圆柱形传感器(面积变化型面积变化型) D d l x 图 3.7(b) 位移圆柱型电容传感器 )/ln()(20dDxlC

7、r)d/Dln(dxdCSr 02 灵灵敏敏度度电容量电容量C与轴向位移呈线性关系与轴向位移呈线性关系航空检测技术3.4.14)22(rA2r2AC00常数2r2ddCS0)(bxA bxAC00常数bdxdCS0)d/Dln(x2C0常数)d/Dln(2dxdCS0航空检测技术3.4.15（3）变介质型电容传感器）变介质型电容传感器 2l 1l 固体介质 极板 极板 空气介质 变介质电容传感器 rrrrllAAlAlC21002011 在固定两极板之间加入空气以外的其他被测固在固定两极板之间加入空气以外的其他被测固体介质，当介质变化时，电容量也随之变化。忽体介质，当介质变化时，电容量也随之变

8、化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数为略边界效应，假设空气相对介电常数为 ，固体，固体介质相对介电常数为介质相对介电常数为 ，电容量为，电容量为r r 航空检测技术3.4.16)(llAl)ll (ACrrrrr 1120220假设两极板间距离为l ，则 l1=ll2 ，电容量为： 当极板面积和极板间距一定时，电容量大当极板面积和极板间距一定时，电容量大小和被测固体材料的厚度和被测固体材料的介小和被测固体材料的厚度和被测固体材料的介电常数有关。如果已知材料的介电常数，可以电常数有关。如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪，而已知材料的厚度，可制成介电制成测厚仪，而已知材料的厚度，可制成介电常

9、数的测量仪。常数的测量仪。航空检测技术3.4.173.4.2 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路 1. 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路航空检测技术3.4.18 由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。传感元件的有效电容感器不能正常工作。传感元

10、件的有效电容Ce可可由下式求得由下式求得(为了计算方便，略去为了计算方便，略去Rs和和Rp)：LCCCe21 航空检测技术3.4.19ee22e2222211jjj11(1)(1)LCCCCLCCLC CCCLCLCLC表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L和角和角频率频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。e2e/1CCCCLC航空检测技术3.4.201）调频测量电路）调频测量电路图中调频振荡器的振荡频率为图中调频振荡器的振荡频率为调频式测量电路原理框图调频式测量电路原理框

11、图 2. 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路12fLC式中式中 L振荡回路的电感；振荡回路的电感； C振荡回路的总电容，振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中，其中C1为振荡回路固有电容，为振荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容，为传感器引线分布电容， Cx=C0C为传感器的电容。为传感器的电容。航空检测技术3.4.21当被测信号为当被测信号为0时，时，C=0，则，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率，所以振荡器有一个固有频率f0，其表示式为，其表示式为12fLC012012()fCCC L航空检测技术3.4.2212fLC当被测信号不为当被测信号不为0时，时，

12、C0，振荡器频率有相，振荡器频率有相应变化，此时频率为应变化，此时频率为优点：优点：调频电容传感器测量电路具有抗干扰能调频电容传感器测量电路具有抗干扰能力强、灵敏度高等，可以测量高至力强、灵敏度高等，可以测量高至0.01 m级位移级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，可以发送、接收，以达到遥测并与计算机通信，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。遥控的目的。缺点缺点：寄生电容对测量精度的影响较大。：寄生电容对测量精度的影响较大。ffLCCCCf002121航空检测技术3.4.232) 运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路

13、运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗运算放大器的放大倍数很大，输入阻抗Zi很高，很高，输出电阻小，所以运算放大器作为电容式传感器的输出电阻小，所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的。测量电路是比较理想的。i.UCxCU 0由运算放大器工作原理可得由运算放大器工作原理可得运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图航空检测技术3.4.24如果传感器采用平板电容，则如果传感器采用平板电容，则Cx= A /l，代入上式，则，代入上式，则运算放大器的输出电压与极板间距离运算放大器的输出电压与极板间距离l成线性关系。成线性关系。式中，式中，“”号表示输出电压的相位与电源电压反号表示输出电压的

14、相位与电源电压反相。相。 运算放大器式电路解决了单个变极板间距离式电运算放大器式电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求容传感器的非线性问题，但要求Zi及放大倍数足够及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固大。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容定电容C值稳定。值稳定。lACUUi. 0航空检测技术3.4.253) 二极管双二极管双T形交流电桥测量电路形交流电桥测量电路e是幅值为是幅值为U的对称方波高频电源，的对称方波高频电源，VD1、VD2为参为参数和特性完全相同的两只二极管，数和特性完全相同的两只二极管，R1=R2=R为参数和为参数和特性完全相

15、同的固定电阻，特性完全相同的固定电阻，C1、C2为传感器的两个为传感器的两个差动电容。差动电容。e航空检测技术3.4.26 二极管双二极管双T形交流电桥形交流电桥工作原理：工作原理：e航空检测技术3.4.27若传感器输入信号不为若传感器输入信号不为0，则，则C1C2，I1I2，此时在一，此时在一个周期内通过个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内的平均值为电压，输出电压在一个周期内的平均值为oLL12L0LL122L1( )( )dT(2)()()TUI RItIttRR RRR Uf CCRR f电源频率，电源频率，U为电源电

16、压。为电源电压。当当RL已知，式中已知，式中 （常数），则上式可（常数），则上式可改写为改写为LL2L(2)()R RRRMRRo12()UUfM CC航空检测技术3.4.28输出输出Uo不仅与电源电压幅值不仅与电源电压幅值U和频率和频率f有关，有关，而且与而且与T形网络中的形网络中的C1和和C2的差值有关。当电的差值有关。当电源电压确定后，输出电压源电压确定后，输出电压Uo是电容是电容C1和和C2的函的函数。数。o12()UUfM CC电路灵敏度与电源电压幅值和频率有关，电路灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。故输入电源要求稳定。U幅值较高，二极幅值较高，二极管管VD1、VD

17、2工作在线性区域时，测量的工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。非线性误差很小。航空检测技术3.4.29电路的输出阻抗与电容电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，无关，而仅与而仅与R1、R2及及RL有关，约为有关，约为1k 100k 。输出信号的上升沿时。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于间取决于负载电阻。对于1k 的负载的负载电阻上升时间为电阻上升时间为20 s左右，故可用左右，故可用来来测量高速的机械运动测量高速的机械运动。航空检测技术3.4.30 随着电容式传感器应用问题的完善解决，它随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显：的应用优点十分明显：(1)(1)分辨力极

18、高分辨力极高, ,能测量能测量0.010.01微米的绝对变化量和微米的绝对变化量和高达高达(C/C)=100%-200%(C/C)=100%-200%的相对变化量，因此的相对变化量，因此尤其适合微信息检测；尤其适合微信息检测；(2)(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性；态特性；（3 3）结构简单）结构简单, ,不含有机材料或磁性材料，对环不含有机材料或磁性材料，对环境境( (除高湿外除高湿外) )的适应性较强；的适应性较强；(4)(4)过载能力强。过载能力强。

19、3.4.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用航空检测技术3.4.311. 电容式测厚传感器原理电容式测厚传感器原理 当被轧板材的厚度相对当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则于要求值发生变化时，则 C 发生变化。发生变化。 C增大，表示板增大，表示板材厚度材厚度l2变薄；变薄；C减小，表示减小，表示板材厚度板材厚度l2变厚。变厚。 2l 1l 固体介质 极板 极板 空气介质 电容传感器测厚原理 )(llAl)ll (ACrrrrr 1120220航空检测技术3.4.32 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带

20、材的上下两侧各厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器板与带材就构成了两个电容器C C1 1、C C2 2。把两块极板用。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为极，其总电容为C C1 1 + + C C2 2 ，如果带材的厚度发生变化，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化。将引起电容量的变化。航空检测技术3.4.33音 频 信 号 发 生 器音 频 放 大 器全 波 整 流 器差 动 放

21、 大 器C0C1C2RRCT 音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容电桥的另外两桥臂由标准电容C0和带材与极板形成的被和带材与极板形成的被测电容测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。电桥的输出电压经放大器组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。示出带材厚度的变化。航空检测技术3.4.34 C的变化经过电桥调节后，由耦合电容

22、输出的变化经过电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，一一 方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定范围内。控制在规定范围内。 压 力 调 节 器 反 馈 回 路 交 流 激 励 电 桥 运 放 显 示 差 放 整 流 滤 波 xC 耦 合 电 容 电 容 测 厚 系 统 原 理 框 图 航空检测技术3.4.352. 数字式大气数据计算机压力传感器数字式大气数据计算机压力传感器静压静压 P

23、Si、动压、动压 Pd(Pt)、总温、总温 Tt和攻角和攻角 L电容式压力传感器：差动电容式和电容量式电容式压力传感器：差动电容式和电容量式（测量静压）（测量静压）1）差动电容式）差动电容式 图中所示膜片为图中所示膜片为动电极，两个在凹形动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动固定电极，构成差动电容器。电容器。航空检测技术3.4.36 在两隔离膜外的压力在两隔离膜外的压力 P1=P2 时，弹性膜片与左时，弹性膜片与左右固定极板间距相同，初始间距相同，初始最大间右固定极板间距相同，初始间距相同，初始最大间距为距为 l0 ,电容电容 C1=C2=C0。 当当 ，即有

24、压差作用，即有压差作用，其作用通过隔离膜与硅油将压差传递给弹性膜片，其作用通过隔离膜与硅油将压差传递给弹性膜片，在压差的作用下弹性膜片产生形变，相当于动电极在压差的作用下弹性膜片产生形变，相当于动电极与固定电极间隙改变（与固定电极间隙改变（ ），由于），由于 很小，可以很小，可以认为认为 （式中（式中 k 为比例常数为比例常数, 压压差差)21PP l l Pkl 21PPP CCllKC 001CCllKC 002航空检测技术3.4.37PklPkllCCCC 001212CCllKC 001CCllKC 002k由电容器极板的面积和介电常数决定的常数由电容器极板的面积和介电常数决定的常数航

25、空检测技术3.4.38压力变送器压力变送器1151系列系列电容式变送器电容式变送器外形图外形图航空检测技术3.4.39各种电容式差压各种电容式差压变送器外形变送器外形 航空检测技术3.4.402）电容量式压力传感器（）电容量式压力传感器（ 运算放大器式测量运算放大器式测量电路）电路）优点：由于采用了闭环测量技术，迟滞性低、重复性高、稳定优点：由于采用了闭环测量技术，迟滞性低、重复性高、稳定性高。性高。RRPoutUZZUZP，ZR被测可变电容被测可变电容CP和标准参考电容和标准参考电容CR阻抗阻抗UR参考电压（激励）参考电压（激励）航空检测技术3.4.41大气数据计算机大气数据计算机A/D转换

26、电路图转换电路图 静压测量值静压测量值PS经过差动电容式和电容量式变换成电经过差动电容式和电容量式变换成电压输出经压输出经A/D转换电路送至大气数据计算机进行数据综转换电路送至大气数据计算机进行数据综合处理。合处理。航空检测技术3.4.423. 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的

27、间隙一个增加，一个减小，从而使两电容的间隙一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空量程范围大，大多采用空气或其他气体作阻尼物质。气或其他气体作阻尼物质。航空检测技术3.4.434.电容式物位传感器电容式物位传感器 电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容传感器。当被测液面高度发容变化的一种变介质型电容传感器。当被测

28、液面高度发生变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化从生变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化从而引起电容量的变化。假设被测介质的介电常数为而引起电容量的变化。假设被测介质的介电常数为1 1，而液面以上部分介质的介电常数为而液面以上部分介质的介电常数为2 2，则其电容量为，则其电容量为H-H-传感器插入液面的深度；传感器插入液面的深度；L-L-两电极板相互覆盖部分的长度；两电极板相互覆盖部分的长度；D D，d-d-分别为外电极的内径和内电极的外径分别为外电极的内径和内电极的外径航空检测技术3.4.44 两种介质介电常数差别两种介质介电常数差别(1 1-2 2) )越大、极径越大、极径D D与与d d相差相差( (即即极距极距) )愈小，传感器灵敏度就愈高愈小，传感器灵敏度就愈高. . 上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器极上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器极板必须与被测介质绝缘。板必须与被测介质绝缘。电容