物位测量及电容传感器

1、5 物位测量及电容传感器物位测量及电容传感器程森林程森林2012年年11月月5 物位测量及电容传感器物位测量及电容传感器 内容内容 5.1 物位检测方法物位检测方法 5.2 静压式液位传感器静压式液位传感器 5.3 浮力式液位传感器浮力式液位传感器 5.4 超声超声波液位传感器波液位传感器 5.5 核辐射式物位计核辐射式物位计 5.6 电容式物位电容式物位计及电容传感器计及电容传感器 5.7 其它物位计其它物位计5.1 物位检测方法物位检测方法 物位：液位、料位和界位的统称物位：液位、料位和界位的统称 液位：容器、河道、水库中液体表面的位置液位：容器、河道、水库中液体表面的位置 料位：容器、堆

2、场和仓库中储存的固体颗粒或料位：容器、堆场和仓库中储存的固体颗粒或粉料的堆积高度，也就是堆积顶面的位置粉料的堆积高度，也就是堆积顶面的位置 界位：两种密度不同的且互不相溶的液体间或界位：两种密度不同的且互不相溶的液体间或液体与固体之间的分界面液体与固体之间的分界面(相界面相界面)5.1 物位检测方法物位检测方法 (1) 直读法直读法直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器直接测量是一种最为简单、直观的测量方法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。读出液位高度。结构简单、价格便宜，一

3、般用在温度及压力不太高、被测介质结构简单、价格便宜，一般用在温度及压力不太高、被测介质粘度不大并与玻璃不发生粘附的场合。粘度不大并与玻璃不发生粘附的场合。5.1 物位检测方法物位检测方法 (2) 浮力法浮力法 恒浮力式恒浮力式 将液位的变化转换成漂浮于液面上将液位的变化转换成漂浮于液面上的浮标的位移，的浮标的位移， 变浮力式变浮力式 将液位的变化转换成浸沉于液体中将液位的变化转换成浸沉于液体中的浮筒所受的浮力变化的浮筒所受的浮力变化5.1 物位检测方法物位检测方法 (3) 静压法静压法对于不可压缩的液体对于不可压缩的液体(其密度不变其密度不变)，液位的高度与液体的静压成，液位的高度与液体的静压

4、成正比，因此，通过测量液体的静压，便可知液位的高低。正比，因此，通过测量液体的静压，便可知液位的高低。密闭容器内的液位，可由液位起点与液面上部气体的压力差测知密闭容器内的液位，可由液位起点与液面上部气体的压力差测知5.1 物位检测方法物位检测方法 (4) 机械接触机械接触 物位的变化直接影响位移的变化，通过测量位移物位的变化直接影响位移的变化，通过测量位移直接测量物位直接测量物位 (5) 电气转换电气转换 液位的高度影响电容、电感等的变化液位的高度影响电容、电感等的变化 (6) 其它其它 利用波在界面的反射效应进行测量，利用射线在利用波在界面的反射效应进行测量，利用射线在物质中的衰减程度进行测

5、量等物质中的衰减程度进行测量等5.2 静压式液位传感器静压式液位传感器 原理原理液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。 对常压开口容器，液位高度对常压开口容器，液位高度h与液体静压力与液体静压力P之间有如之间有如下关系：下关系： gPhh5.2 静压式液位传感器静压式液位传感器 开口容器的液位开口容器的液位 (压力表测量压力表测量)5.2 静压式液位传感器静压式液位传感器 开口容器的液位开口容器的液位 (法兰式法兰式)对于粘度大、有沉淀、对于粘度大、有沉

6、淀、易结晶、易凝固或具有易结晶、易凝固或具有腐蚀性的介质，为防止腐蚀性的介质，为防止导压管堵塞或腐蚀仪表导压管堵塞或腐蚀仪表，采用法兰式压力变送，采用法兰式压力变送器。器。5.2 静压式液位传感器静压式液位传感器 封闭容封闭容器的液器的液位位ghPPPpPghpP115.2 静压式液位传感器静压式液位传感器 吹气式液位计吹气式液位计导管导管3的出口气阻取决于的出口气阻取决于液位，所以管液位，所以管3内的空气内的空气压力能反映液位高度，压力能反映液位高度，若安装压力表则可就地若安装压力表则可就地指示液位，若接变送器指示液位，若接变送器则可输出标准信号。则可输出标准信号。5.2 静压式液位传感器静

7、压式液位传感器 量程迁移量程迁移无迁移无迁移gHP1)(1hHgP正迁移正迁移PggHhhggHP11221)(负迁移负迁移5.3 浮力式液位传感器浮力式液位传感器 原理原理 浮于液面上的浮子随着液位上升或下降浮于液面上的浮子随着液位上升或下降，根据浮子的位置实现液位的检测。，根据浮子的位置实现液位的检测。 按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等，也可分为恒浮力式和变浮力式。式等，也可分为恒浮力式和变浮力式。5.3 浮力式液位传感器浮力式液位传感器 浮子式液位计原理浮子式液位计原理bhHDH222444DFH：HDF：HhD：G灵敏度变化时液面平衡时浮子直径浮

8、子直径D愈大，液位变化愈大，液位变化H时所对应的浮力增量时所对应的浮力增量 F也愈大。也愈大。希望不灵敏区小一些时，可加大浮子的直径，即制成扁平的浮子希望不灵敏区小一些时，可加大浮子的直径，即制成扁平的浮子。但若不灵敏区太小，液位的微小变化又会使浮子频繁波动。但若不灵敏区太小，液位的微小变化又会使浮子频繁波动。5.3 浮力式液位传感器浮力式液位传感器 浮子式液位计浮子式液位计5.3 浮力式液位传感器浮力式液位传感器 浮筒式液位计浮筒式液位计浮筒质量为浮筒质量为m，桶内无水时：，桶内无水时：mg=Cx0当测量筒内有一定高度的液位当测量筒内有一定高度的液位H时，浮时，浮筒受到液体的浮力上浮筒受到液

9、体的浮力上浮xxgAChHxxCghAmgxhH)(0弹簧的位移量与液位成正比。弹簧的顶端连弹簧的位移量与液位成正比。弹簧的顶端连接有一铁芯，铁芯随着弹簧的位移在差动变接有一铁芯，铁芯随着弹簧的位移在差动变压器内上下移动输出位移信号。压器内上下移动输出位移信号。5.4 超声波液位传感器超声波液位传感器 原理原理20kHz以上频率的机械波称为超声波。以上频率的机械波称为超声波。当声波从一种介质向另一种介质传播时，当声波从一种介质向另一种介质传播时，在分界面上声波会产生反射和折射。反在分界面上声波会产生反射和折射。反射系数与声阻抗射系数与声阻抗(v)有关，有关，超声波物位检测方法通过测量声波从发超

10、声波物位检测方法通过测量声波从发射至接受反射回波的时间间隔来确定物射至接受反射回波的时间间隔来确定物位高低位高低H=0.5vt。当超声波传播速度已知，可根据时间求当超声波传播速度已知，可根据时间求得物位。得物位。5.4 超声波液位传感器超声波液位传感器 测量方式测量方式气介式气介式 液介式液介式 固介式固介式5.4 超声波液位传感器超声波液位传感器 温度补偿温度补偿5.4 超声波液位传感器超声波液位传感器 优点优点(1) 探头不和被洲介质接触，可以实现非接触测量。探头不和被洲介质接触，可以实现非接触测量。(2) 只要界面的声阻抗率不同，液体、粉末、块状体等物体的物只要界面的声阻抗率不同，液体、

11、粉末、块状体等物体的物位都可测量。位都可测量。(3) 无机械可动部件，探头的压电晶片的振幅很小，寿命校长。无机械可动部件，探头的压电晶片的振幅很小，寿命校长。(4) 超声波的传播不受光线、湿度、粘度影响，适用于测量有腐超声波的传播不受光线、湿度、粘度影响，适用于测量有腐蚀性、高粘度的液体液位和固体料位。蚀性、高粘度的液体液位和固体料位。(5) 能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。飞机、轮船中的液位。5.4 超声波液位传感器超声波液位传感器 缺点缺点(1)当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变当超

12、声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响化，对此超声波液位计应有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；测量精度；(2) 当某些介质对声波吸收能力很强时，则不能应用回波测当某些介质对声波吸收能力很强时，则不能应用回波测距法测量。不适于测量有气泡或悬浮物的液位。当被测液位距法测量。不适于测量有气泡或悬浮物的液位。当被测液位有很大波动时，会引起声波反射混乱，造成测量误差。有很大波动时，会引起声波反射混乱，造成测量误差。(3) 电路较复杂，成本较高。电路较复杂，成本较高。5.5 核辐射式物位计核辐射式物位计 原理原理当射线射入厚度为当射线射入厚

13、度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度透过介质的射线强度I与入射强度与入射强度I0之间有如下关系：之间有如下关系：式中式中 吸收系数，条件固定时为常数。吸收系数，条件固定时为常数。于是有：于是有： 因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。实现。 HeII0IIHlnln105.5 核辐射式物位计核辐射式物位计 结构结构1-放射源；放射源； 2-接收器接收器5.5 核辐射式物位计核辐射式物位计 特点特点(1) 能够完全不接触被测物质，可用于高温、高压容器能够完全不接触被测物质，

14、可用于高温、高压容器内的物位测量，亦可用于强腐蚀、剧毒、易爆、易结晶、内的物位测量，亦可用于强腐蚀、剧毒、易爆、易结晶、沸腾状态介质以及高温溶体等物位的测量。沸腾状态介质以及高温溶体等物位的测量。(2) 由于放射线不受温度、压力、湿度以及电磁场等影由于放射线不受温度、压力、湿度以及电磁场等影响，适宜在恶劣环境下，且不常行人的地方工作。响，适宜在恶劣环境下，且不常行人的地方工作。(3) 放射线对人体有害，所以对其使用剂量及安装、使放射线对人体有害，所以对其使用剂量及安装、使用、维护等要严格按有关规定进行处理。用、维护等要严格按有关规定进行处理。5.6 电容式物位计及电容传感器电容式物位计及电容传

15、感器 5.6.1 结构与原理结构与原理 5.6.2 特性特点特性特点 5.6.3 等效电路等效电路 5.6.4 测量电路测量电路 5.6.5 误差分析误差分析 5.6.6 应用应用 5.6.7 电容式液位计电容式液位计5.6.1 结构与原理结构与原理 原理原理CSSr 0 S 极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； 极板间距离；极板间距离； r相对介电常数；相对介电常数； 0真空介电常数，；真空介电常数，； 电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。 S5.6.1 结构与原理结构与原理 结构结构变极距()型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g)

16、（h） 变介电常数()型: （i）(l) 5.6.1 结构与原理结构与原理 变极距型电容传感器变极距型电容传感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr若若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性或塑料膜来改善电容器耐压性能能 非线性将随最大相对位移增加而增加，因此为了保证一定线性度，非线性将随最大相对位移增加而增加，因此为了保证一定线性度，应限制动极板的相对位移量应限制动极板的相对位移量5.6.2 特性与特点特性与特点 灵敏度灵敏度(平移变面积型平移变面积型)baadabdSC0aaCdabdbaadabC0dbaCaCk0b d k减小减小d 、加云母片

17、、增大、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度、采用差动结构可提高灵敏度5.6.2 特性与特点特性与特点 灵敏度灵敏度(旋转变面积型旋转变面积型)初始电容越大、灵敏度越大初始电容越大、灵敏度越大0000000)1 (CCkCCCCdsCr5.6.2 特性与特点特性与特点 灵敏度灵敏度(圆筒变介电常数型圆筒变介电常数型)初始电容越大、初始电容越大、H越小、越小、1越大，灵敏度越高越大，灵敏度越高dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln201ln)(2101HCdDhCk5.6.2 特性与特点特性与特点 灵敏度灵敏度(平板变介电常数型平

18、板变介电常数型)介电常数差异越大、初始介电常数差异越大、初始长度越小，灵敏度越高长度越小，灵敏度越高012001000201002111)(LLdLbdLLLbCCCrrrrr0000000100dbLdbLCr01211LLCkrr5.6.2 特性与特点特性与特点 非线性非线性(仅变极距型才有仅变极距型才有)200220000010001001111,dsdCdddddddCdddCddCdCKdddCCCCdddCddddsddsCdsCrrrr20042020220021000222121122dsdCdddddCdddCdCKddddCddddddCCCCdddCddddsddsCrr

19、r普普通通差差动动差动结构可提高灵敏度一倍，并降低非线性差动结构可提高灵敏度一倍，并降低非线性mmm9.001.0)51101(5.6.2 特性与特点特性与特点 优点优点 温度稳定性好，电容值与电极材料无关本身发热极小温度稳定性好，电容值与电极材料无关本身发热极小 结构简单、适应性强结构简单、适应性强 动态响应好动态响应好 可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应5.6.2 特性与特点特性与特点 动态性好动态性好 极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏可测极低的压力和力，很小

20、的速度、加速度。可以做得很灵敏，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 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。，特别适合动态测量。 介质损耗小，可以用较高频率供电介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。、瞬时压力等。5.6.2 特性与特点特性与特点 缺点缺点1、输出阻抗高、负载能

21、力差、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达出阻抗高达106108 。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 2、寄生电容影响大寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等散电容以及传感器极板

22、与其周围导体构成的电容等“寄生电容寄生电容”却较却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 5.6.3 等效电路等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容为引线电缆、所接测量电路

23、及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻、极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外是极间等效漏电阻、极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗界间的漏电损耗和介质损耗rC0CPRgL5.6.3 等效电路等效电路 低频等效电路低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和r的影响可忽略的影响可忽略 等效电容等效电容Ce=C0+Cp， 等效电阻等效电阻ReRg CeRg5.6.3 等效电路等效电路 高频等效电路高频等效电路 电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和r的影响不可忽略，漏电的影响的影响不可忽略，漏电的影响可忽略可忽略 ，其中，其中Ce=C0+

24、Cp，而，而rer reCeLRCjLjCje11 高频等效电路高频等效电路由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，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 此时电容传感器的等效灵敏度为此时电容传感器的等效灵敏度为当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由由kg变为变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随关，且随变化而变化。变化而变化。LCCCe212222)1 ()1/(LCkdLC

25、CdCkgee5.6.3 等效电路等效电路5.6.4 测量电路测量电路 (1) 调频电路调频电路(2) 运算放大器电路运算放大器电路(3) 双双T型电桥电路型电桥电路(4) 脉宽调制电路脉宽调制电路5.6.4 测量电路测量电路 (1) 调频电路调频电路)(212101CCCCLLCfi (1) 调频电路调频电路当被测信号为零时，当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f0，当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，c0，此时频率为，此时频率为具有较高的灵敏度，可测至具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器级位移变化量易于用数字仪器测量，并与

26、计算机通讯，抗干扰能力强测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强)(21010CCCLfiffCCCCLfi001)(215.6.4 测量电路测量电路(2). 运算放大器电路运算放大器电路最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容是传感器电容C是固定电容是固定电容u0是输出电压信号是输出电压信号 运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uC-ACxu05.6.4 测量电路测量电路uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()/ ) ( SCxuuCS0 结论结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感

27、器的线性线性5.6.4 测量电路测量电路 (2). 运算放大器式电路运算放大器式电路由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 ：5.6.4 测量电路测量电路 (3)二极管双二极管双T型电路型电路e是高频电源是高频电源, 它提供幅值为它提供幅值为Ui 的的对称方波对称方波, VD1、VD2为特性完为特性完全相同的两个二极管全相同的两个二极管, R1 = R2 = R, C1、C2为传感器的两个差动电为传感器的两个差动电容。容。正半周正半周负半周负半周UERRRULLEiC2C2U0RRLR5.6.4 测量电路测量电路 (3)二极管双二极管双T型电路型电路在在R+(RRL)/(R+RL)C

28、2T/2时，正半周电容时，正半周电容C2的平均电流为：的平均电流为：2221CURRRRTIELLC在负半周时，电容在负半周时，电容C1的平均电流为的平均电流为 1121CURRRRTIELLC在负载在负载RL上产生的电压为上产生的电压为 )(2)(21221CCTURRRRRRICICRRRRUELLLLLO (3)二极管双二极管双T型电路型电路线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为输出

29、阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器 。 5.6.4 测量电路测量电路5.6.4 测量电路测量电路 (4). 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化宽度随传感器电容量变化而变化 通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号流信号 5.6.4 测量电路测量电路 (4). 差动脉冲调宽电路差动脉冲

30、调宽电路设电源接通时，设电源接通时，UA=U，而，而UB=0。此。此时，时，UA必经过必经过R1对对C1充电，使电容充电，使电容C1上的电压按指数规律上升，时间上的电压按指数规律上升，时间常数为常数为1=R1C1。当当F点的电位略高于参考电压点的电位略高于参考电压Ur，比，比较器较器A1翻转，触发器也跟着翻转，翻转，触发器也跟着翻转，Q端（即端（即A点）由高电平降为低电平点）由高电平降为低电平，同时，同时Q(-)端（即端（即B点）由低电平升点）由低电平升为高电平；为高电平；此时电容器此时电容器C1上充有的电荷将经二上充有的电荷将经二极管极管VD1迅速放电到迅速放电到0，这又导致比，这又导致比较

31、器较器A1再翻转成为输出为正。再翻转成为输出为正。5.6.4 测量电路测量电路 (4). 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路从触发器从触发器B点升为高电平开始点升为高电平开始，UB即经过即经过R2按指数规律，以按指数规律，以时间常数时间常数2=R2C2的速率对的速率对C2充充电，电，G点电位上升，当点电位上升，当UGUr时，比例器时，比例器A2翻转，其输出端翻转，其输出端由正变为负，这一负跳便促使由正变为负，这一负跳便促使触发器又一次翻转，使触发器又一次翻转，使B点为点为低电平，低电平，A点为高电平。点为高电平。重复上述过程，如此周而复始重复上述过程，如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端，在双

32、稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受各自产生一宽度受C1和和C2调制调制的方波脉冲。的方波脉冲。 5.6.4 测量电路测量电路 (4). 差动差动脉冲调脉冲调宽电路宽电路UAB经低通滤波后，就可得到一直流电压经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为为 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中式中UA、UBA点和点和B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 分别为分别为C1和和C2的充电时间；的充电时间； U1触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。5.6.4 测量电路测量电路 (4). 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路C1、C2的充电时间的充电时

33、间TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln式中式中 Ur触发器的参考电压触发器的参考电压 设设R1=R2=R，则得，则得 UCCCCUr01212结论结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 5.6.4 测量电路测量电路 (4). 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为d1、d2和和S1、S2 差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 EUddddU12120EUSSSSU12210特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传特性：差动脉冲调宽电路能适用于任

34、何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性感器，并具有理论上的线性特性 5.6.4 测量电路测量电路 (4). 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路5.6.4 测量电路测量电路(4). 差动脉冲调宽电路的优点差动脉冲调宽电路的优点 采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高 不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求 也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等 对元件无线性要求对元件无线性要求 经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压 对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 5.6.5 误差分析误差分析 温度对结构尺寸的影响

35、温度对结构尺寸的影响电容器的电容变化如下式所示电容器的电容变化如下式所示C=C0+CP+CT 在初始温度在初始温度t0时，间隙为时，间隙为d0=L-h1-h2 当温度变化当温度变化t时，间隙为时，间隙为dt=L(1+aLt)-h1(1+ah1t)-h2(1+ah2t)tahahLadtahahLadddCCChhLhhLtttt)()(2211022110000) 1() 1(02211daahaahLhLh设计电容器时应根据合理的初始电容值选取设计电容器时应根据合理的初始电容值选取d0，然后再根据，然后再根据ah1和和ah2选择选择h1和和h2以实现温度补偿。以实现温度补偿。 令分子为令分子

36、为0并将并将d0表达式带入可得：表达式带入可得：5.6.5 误差分析误差分析温度对介质介电常数的影响温度对介质介电常数的影响空气及云母介电常数的温度系数可认为等于零，空气及云母介电常数的温度系数可认为等于零，而某些液体介如煤油、硅油、蓖麻油、甲基硅油而某些液体介如煤油、硅油、蓖麻油、甲基硅油等就必须注意由此引起的误差。等就必须注意由此引起的误差。温度误差一般可用后接的测量电路进行一定的补温度误差一般可用后接的测量电路进行一定的补偿，但完全消除是困难的。偿，但完全消除是困难的。 电容电场的边缘效应电容电场的边缘效应)(116(ln(6 . 320dhfdrrdrC边 缘 电 场均 匀 电 场33

37、215.6.5 误差分析误差分析寄生与分布电容的影响寄生与分布电容的影响(1).缩短传感器到测量电路前置级的距离缩短传感器到测量电路前置级的距离(2).驱动电缆法驱动电缆法使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连接的传感器电容极性电位，相连接的传感器电容极性电位，要求二电位的幅值和相位均相同，要求二电位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。从而消除电缆分布电容的影响。驱动电缆法是目前解决电缆电容驱动电缆法是目前解决电缆电容影响问题的有效办法影响问题的有效办法 5.6.5 误差分析误差分析 寄生与分布电容的影响寄生与分布电容的影响 (3).整体屏蔽法整体屏蔽法 将整

38、个桥体（包括供电电将整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用一源及传输电缆在内）用一个统一屏蔽保护起来。而个统一屏蔽保护起来。而其关键则在于正确地选取其关键则在于正确地选取接地点接地点 5.6.5 误差分析误差分析漏电阻的影响漏电阻的影响电容传感器的容抗都很高，特别是在激励电压较低时。因此电容传感器的容抗都很高，特别是在激励电压较低时。因此在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻与此容抗相近在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻与此容抗相近时，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响，它将使灵时，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响，它将使灵敏度下降。敏度下降。为了克服这一分路造成的不良后果

39、，应认真选取两极板间支为了克服这一分路造成的不良后果，应认真选取两极板间支架材料，激励频率越低，所选材料的绝缘性能要越好。此外架材料，激励频率越低，所选材料的绝缘性能要越好。此外支架沿面的漏电阻也要特别注意，为此，在装配传感器时要支架沿面的漏电阻也要特别注意，为此，在装配传感器时要先对零件进行清洗、烘干后再装配。当然，适当在提高激励先对零件进行清洗、烘干后再装配。当然，适当在提高激励电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求，但在某些情电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求，但在某些情况下，频率增高也受限制，例如在对寄生电容影响抑制不强况下，频率增高也受限制，例如在对寄生电容影响抑制不强的线路中工作时就是这样。的线路中工作时就是这样。 5.6.6 应用应用 电容式压力传感器电容式压力传感器膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。成的固定电极组成的差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时之产生位移时, 形成的两个电容器的电形成的两个电容器的电容量容量, 一个增大一个增大, 一个减小。该电容值一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压的