自动化技术与仪表 第二章检测技术与检测元件 第24节 电容式检测元件

1、2,检测技术与检测元件,1,2.,检测技术与,检测元件,第,4,节,电容式检测元件,2,检测技术与检测元件,2,什么是电容器？,?,电容器由两个用介质（固体、液,体或气体）或真空隔开的电导体,构成。,Q,C,V,?,导体上的电荷,导体之间的电压差,第,4,节,电容式检测元件,*,2,检测技术与检测元件,3,?,概念,:,电容式检测元件可以将某些物理量的变化转,变为电容量的变化。,?,优点,：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应,性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。,?,由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成,技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电,容的影响得到较好地解决，使电容式

2、传感器的优,点得以充分发挥。,?,应用,：用于测量压力、位移、厚度、加速度、液,位、物位、湿度和成分含量等。,概述,*,2,检测技术与检测元件,4,2.4.1,电容检测元件的工作原理,?,电容检测元件实际上是各种类型的可变电,容器，它能将被测量的改变转换为电容量,的变化，进而转变成电压、电流、频率等,电信号。,?,按照极板形状,，电容检测元件分为,平板,和,圆筒形,。,*,2,检测技术与检测元件,5,平板型电容器,当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量,C,为,?,A,极板相对覆盖面积；,?,d,极板间距离；,?,r,介质材料的相对介电常数,空气的,r,=1,；,?,0,真空介电常数，,0,8.

3、85pF/m,；,?,电容极板间介质的介电常数。,d,A,C,/,?,?,d,A,r,/,0,?,?,?,?,A,d,*,2,检测技术与检测元件,6,圆柱式线位移电容器,在不计边缘效应影响时，,圆柱式的电容器的电容量为,式中,l,外圆柱筒与内圆柱,重叠,部分长度（高度）,；,R,外,圆柱,内径,；,r,内,圆柱,外径,。,线性关系,0,2,ln,r,l,C,R,r,?,?,?,*,2,检测技术与检测元件,7,当被测参数,A,（,l,）,或,d,发生变化时,电容量,C,也,随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改,变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电,容量的变化,通过测量电路就可转换为电

4、量输出。,因此,电容式传感器可分为,变极距型、变面积型,和变介质型,三种类型。,改变平行极板间距,d,的电容式传感器可以测量微米,数量级的位移、压力，,变化面积的电容式传感器则适用于测量厘米数量,级的位移，,变介电常数的电容式传感器适用于液面、厚度的,测量。,d,A,C,/,?,?,d,A,r,/,0,?,?,?,0,2,ln,r,l,C,R,r,?,?,?,*,2,检测技术与检测元件,8,变极距,(d),型,: (a),、,(e),变面积型,(S),型,: (b),、,(c),、,(d),、,(f),、,(g),（,h,）,变介电常数()型,:,（,i,）,(l),*,2,检测技术与检测元件

5、,9,1.,变极距（间距）型电容传感器,1,1,1,2,2,2,3,d,d,d,d,0,d,0,d,?,d,?,?,?,?,C,C,0,C,s,定极,板,动极,板,2.4.2,电容元件的结构和特性,*,2,检测技术与检测元件,10,变极距（间隙）式电容传感器,*,2,检测技术与检测元件,11,极板面积为,A,，初始距离为,d,0,，以空气为介质,（,?,r,=1,），电容器的电容为,若电容器极板距离初始值,d,0,减小,?,d,，其电容量增加,?,C,，即,由上式，电容的相对变化量为,(,上式两侧同时除以,C,0,),0,0,0,d,A,C,?,0,0,0,0,0,1,1,d,d,C,d,d,

6、A,C,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,0,0,1,d,d,d,d,C,C,?,?,?,?,?,（,1,）灵敏度分析,非线性关系,A,*,2,检测技术与检测元件,12,，,按幂级数展开得,略去非线性项（高次项），则得近似的线性关系式,电容传感器的灵敏度为,减小极间距，利于提高灵敏度。,物理意义,：单位位移引起的电容量的（相对）变化量的大小。,1,/,0,?,?,d,d,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,0,2,0,0,0,0,1,d,d,d,d,d,d,d,d,C,C,0,0,d,

7、d,C,C,?,?,?,0,0,0,0,1,/,K,d,d,C,C,K,d,C,d,C,?,?,?,?,?,?,?,?,或,*,0,0,0,1,d,d,d,d,C,C,?,?,?,?,?,2,检测技术与检测元件,13,略去高次项（非线性项）引起的,相对非线性误差,为,可见极间距越小，利于,提高灵敏度,，但是,非线性误差,增加,矛盾,。且,d,0,过小时，容易引起电容器击穿。,在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，大都采,用差动结构。,改善击穿条件的办法是在极板间放置,高介电常数材料,云母片等介电材料。,0,0,1,d,d,C,C,K,?,?,?,?,%,100,0,0,3,0,2,0,?,?

8、,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,d,d,d,d,d,d,d,d,C,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,0,2,0,0,0,0,1,d,d,d,d,d,d,d,d,C,C,0,0,d,d,C,C,?,?,?,（,2,）相对非线性误差,*,2,检测技术与检测元件,14,（,3,）差动变间隙式电容传感器,在差动式电容传感器中，其中电容器,C,1,的电容随位移,d,的减小而增大时，另一个电容器,C,2

9、,的电容则随着,d,的增大而减小。,1,0,0,1,1,c,c,d,d,?,?,?,0,0,2,1,1,d,d,c,c,?,?,?,目的,?,灵敏度提高一倍,?,减小非线性,*,2,检测技术与检测元件,15,它们的特性方程分别为,总的电容变化量,电容的相对变化量为,略去高次项,近似成线性关系,差动电容式传感器的灵敏系数为：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,0,2,0,0,0,1,1,d,d,d,d,d,d,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?

10、,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,0,2,0,0,0,2,1,d,d,d,d,d,d,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,0,0,0,2,1,2,2,d,d,d,d,C,C,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,4,0,2,0,0,0,1,2,d,d,d,d,d,d,C,C,0,0,2,d,d,C,C,?,?,?,a,）差动结构,灵敏度,分

11、析,0,0,0,0,2,2,d,d,C,C,K,d,C,d,C,K,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,或,?,结论：灵敏度,提高一倍！,*,2,检测技术与检测元件,16,差动电容式传感器的相对,非线性误差,近似为,结论：,差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非,线性误差大为减小。,由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变,?,?,?,?,?,?,%,100,2,2,2,2,2,0,0,3,0,0,4,0,2,0,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,

12、?,?,?,?,?,?,d,d,d,d,d,d,d,d,d,d,d,d,d,d,C,C,C,?,?,0,0,2,d,d,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,4,0,2,0,0,0,1,2,d,d,d,d,d,d,C,C,?,非线性误差减小,b,）差动结构,非线性误差,分析,*,2,检测技术与检测元件,17,（,4,）固定介质与可变间隙式电容传感器,减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经,常在两极板间加一层云母或塑料等介质，以改变电容的,耐压性能。由此构成如图所示的,固定介质,

13、与,可变间隙,式,电容传感器。,由关系, ,2,1,2,1,C,C,C,C,C,?,1,1,0,1,d,A,C,?,?,?,2,2,0,2,d,A,C,?,?,?,2,2,1,0,?,?,d,d,A,C,?,?,固定,介质,?,2,定极板,动极板,空气,?,1,=1,d,2,d,1,*,2,检测技术与检测元件,18,当空气隙减小,，使电容增加,，有,电容的相对变化量为,当,N,1,d,1,/,（,d,1,+,d,2,）,，即位移很小时，上式按幂级数展,开可写成,式中,d,1,+,d,2,=,d,1,d,?,C,?,2,2,1,1,0,?,?,d,d,d,A,C,C,?,?,?,?,?,?,?,

14、?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,2,2,1,1,2,2,1,?,?,d,d,d,d,d,C,C,),/(,1,1,2,1,1,1,1,2,1,1,d,d,d,N,N,d,d,d,C,C,?,?,?,?,?,?,2,2,1,2,1,1,/,?,d,d,d,d,N,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,1,1,1,1,1,1,1,d,d,N,d,d,N,d,d,N,C,C,2,2,1,0,?,?,d,d,A,C,?,?,*,2,检测技术与检测元件,19,略去高次项可近似得到,可见,N,1,为,非线

15、性因子,，若增大,N,1,，非线性增加。,灵敏度系数为,:,同时，,N,1,又是,灵敏度因子,，并且作为灵敏度因子,与非线性因子是相互制约的。,d,d,N,C,C,1,1,?,?,?,d,N,d,C,C,K,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,1,1,1,1,1,1,1,d,d,N,d,d,N,d,d,N,C,C,*,2,检测技术与检测元件,20,厚度比（,d,2,/,d,1,）为自变量，固定介质的介电常数,?,2,作,参变量，看影响灵敏度和线性度的因子,N,1,的变化。曲,线如图所示。,因为,?,2,

16、总是大于,1,的，所以,N,1,总是大于,1,的。,因为,?,2,1,，随厚度比,d,2,/,d,1,增加，,N,1,增加。,d,2,/,d,1,很大时，,N,1,的极限为,?,2,，,d,2,/,d,1,不变时，随,?,2,增加，,N,1,增加。,0.1,0.2,0.5,1,2,5,10,20,50,100,d,2,/,d,1,?,2,=10,?,2,=5,?,?,?,?,?,8,6,4,2,?,?,?,2,1,2,1,2,2,2,1,2,1,1,/,),(,1,1,/,?,?,d,d,d,d,d,d,d,d,N,?,?,?,?,?,?,*,2,检测技术与检测元件,21,2.,变面积型电容传

17、感器,1,1,2,1,1,2,2,2,3,(a),(b),(c),(d),常用的有角位移型和线位移型两种。,与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。,一般情况下，变面积型电容式传感器常做成圆柱形。,*,2,检测技术与检测元件,22,板状线位移变面积型,*,2,检测技术与检测元件,23,（,1,）板状线位移式电容传感器,极板起始覆盖面积为,A,=,a,b,，沿活动极板宽度,方向移动,a,，则改变了两极板间覆盖的面积，忽,略边缘效应，改变后的电容量为,电容的变化量为,灵敏度为,a,d,b,C,d,a,a,b,C,?,?,?,?,?,?,?,?,0,),(,a,a,C,a,d,b,C,C,

18、C,?,?,?,?,?,?,?,0,0,?,a,a,C,C,K,a,C,a,C,K,1,/,0,C,0,C,?,?,?,?,?,?,?,?,或,a,线性关系,常数,*,2,检测技术与检测元件,24,?,灵敏度系数,K,C,为常数，可见,减小极板宽度,a,可提高,灵敏度；,?,极板的起始覆盖长度,b,与灵敏度系数,K,C,无关。但,b,不能太小，必须保证,b,d,(,极距,),，否则边缘处,不均匀电场的影响将增大。,?,平板式极板作线位移最大不足之处是,对移动极板,的平行度要求高,，稍有倾斜会导致极距,d,变化，影,响测量精度。,?,因此在一般的情况下，变面积式的电容传感器常,作成圆柱式的。,a

19、,a,C,C,K,1,/,0,C,?,?,?,?,a,*,2,检测技术与检测元件,25,同心圆筒形线位移电容式传感器,*,2,检测技术与检测元件,26,（,2,）圆柱式线位移电容传感器,在不计边缘效应影响时，,圆柱式的电容器的电容量为,式中,l,外圆柱筒与内圆柱,重叠部分长度（高度）,；,r,2,外,圆柱,内径,；,r,1,内,圆柱,外径,。,?,?,1,2,ln,2,r,r,l,C,?,?,?,线性关系,*,2,检测技术与检测元件,27,动极（圆柱）沿轴线移动,?,l,时，电容的变化量为,若采用差动结构，动极向上移动,l,，则上面部分的电,容量,C,a,增加，下面部分的电容量,C,b,减少，

20、使输出为差动,形式，有,l,l,C,C,1,K,?,?,?,?,灵敏度,l,l,C,r,r,l,C,?,?,?,?,?,?,),/,ln(,2,1,2,?,l,l,C,r,r,l,l,r,r,l,l,C,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,),/,ln(,),(,2,),/,ln(,),(,2,1,2,1,2,b,a,?,?,l,l,C,C,2,K,?,?,?,?,灵敏度,常数,常数,结论：,采用差动式结构，电容变化量增加一倍，则灵敏度也,提高一倍,且灵敏度为常数。,*,2,检测技术与检测元件,28,角位移变面积型,*,2,检测技术与检测元件,29,（,3,）角位移

21、式电容传感器,设两半圆极板重合时，电容量为,动极,2,转过角，电容量变为,则电容变化量为,则灵敏度系数为,d,r,d,S,C,2,2,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,0,2,),/,1,(,2,),(,C,C,d,S,d,r,C,?,?,?,?,?,?,?,0,0,C,C,C,C,?,?,?,?,?,1,/,0,C,?,C,C,K,线性关系,常数,*,2,检测技术与检测元件,30,?,综合上述分析，变面积式电容,传感器不论被测量是线位移还是角,位移，位移与输出电容都为线性关,系（忽略边缘效应），传感器灵敏,系数为常数。,*,2,检

22、测技术与检测元件,31,3.,变介电常数电容传感器,*,2,检测技术与检测元件,32,?,这种传感器大多用于测量电介质的厚度,(,图,a,),、位,移,(,图,b,),、液位,(,图,c,),。,?,(,图,d,),根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、,容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。,3.,变介电常数电容传感器,1,）常见结构,*,2,检测技术与检测元件,33,厚度为,d,2,的介质（介电常数为,?,2,）在电容器中移动时，,电容器中介质的介电常数（总值）改变使电容量改,变，于是可用来,测量位移,x,。,如图有,，,，无介质,?,2,即,x=0,时，有,B,A,C,C,C,?,?,

23、2,1,d,d,d,?,?,d,1,x,l,?,?,C,A,C,B,?,?,x,d,2,2,2,1,1,A,?,?,d,d,bx,C,?,?,1,B,/,1,),(,?,d,x,l,b,C,?,?,d,bl,C,/,1,0,?,?,当介质,?,2,移进,电容器中,x,长,度时，有,2),电容计算,*,2,检测技术与检测元件,34,设式中,则有,结论：,电容量,C,与位移量,x,成线性关系。,上述结论均忽略了边缘效应。实际上，由于边缘效应，,将有非线性，并使灵敏度下降。,x,d,d,d,l,C,C,d,d,d,l,xd,C,C,d,d,d,bx,d,bl,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,

24、?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,1,1,2,2,1,1,0,0,1,2,2,1,2,0,0,1,2,2,1,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,1,2,1,1,?,?,d,d,l,A,?,?,Ax,C,C,?,?,1,0,2,2,1,1,A,?,?,d,d,bx,C,?,?,1,B,/,1,),(,?,d,x,l,b,C,?,?,d,bl,C,/,1,0,?,?,*,2,检测技术与检测元件,35,3,）变介电

25、常数式电容传感器图片,*,2,检测技术与检测元件,36,4,）应用：,变介电常数式电容传感器电容式液位计,?,圆筒式液位传感器如下图，容器中液体不导电（若,是，则电极要绝缘），若忽略边缘效应，确定传感器,的电容量,C,与被测液位高度,h,x,的关系。,C,1,C,C,2,h,1,液位传感器,h,2,r,1,2,r,2,h,x,1,?,2,?,*,等效电路：,2,检测技术与检测元件,37,4,）应用：,变介电常数式电容传感器电容式液位计,C,1,C,C,2,x,x,x,x,Kh,A,r,r,h,r,r,h,r,r,h,r,r,h,h,C,C,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,),/,l

26、n(,),(,2,),/,ln(,2,),/,ln(,2,),/,ln(,),(,2,1,2,2,1,1,2,2,1,2,1,1,2,2,2,1,?,?,?,?,?,?,结论：,传感器电容量,C,与被测液位高度,h,x,成线性关系。,),/,ln(,2,1,2,2,r,r,h,A,?,?,),/,ln(,),(,2,1,2,2,1,r,r,K,?,?,?,?,?,0,),/,ln(,2,1,2,2,min,?,?,x,h,r,r,C,?,h,h,r,r,C,x,?,?,),/,ln(,2,1,2,1,max,?,h,1,液位传感器,h,2,r,1,2,r,2,h,x,1,?,2,?,*,2,检

27、测技术与检测元件,38,例,:,某电容式液位传感器由直径为,40mm,和,8mm,的两个同心圆柱,体组成。储存灌也是圆柱形，直径为,50cm,，高为,1.2m,。被储存,液体的相对介电常数,r,2.1,。计算传感器的最小电容和最大电容,以及当用在储存灌内时传感器的灵敏度,(pF/L),。已知真空的介电,常数为,8.85pF/m,。,解：,pF,m,m,pF,r,r,H,C,r,46,.,41,5,ln,2,.,1,1,),/,85,.,8,(,2,ln,2,1,2,0,min,?,?,?,?,?,?,?,?,?,pF,pF,r,r,H,C,r,07,.,87,1,.,2,46,.,41,ln,

28、2,1,2,0,max,?,?,?,?,?,?,L,m,m,H,d,V,6,.,235,2,.,1,4,),5,.,0,(,4,2,2,?,?,?,?,?,?,L,pF,L,pF,pF,V,C,C,K,/,19,.,0,6,.,235,46,.,41,07,.,87,min,max,?,?,?,?,?,*,2,检测技术与检测元件,39,4.,等效电路,以上对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容,的条件下进行的。,若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件,下工作，则需考虑其附加损耗和电感效应的影响，,此时其等效电路如图所示。,电容检测元件等效电路,Rs,为串联损耗电阻,Rp,为并联损耗电阻

29、,L,为电容器及引线电感,之和,C,为传感器电容,Cp,为寄生电容,*,2,检测技术与检测元件,40,串联损耗电阻,Rs,：,代表,引线电阻，电容器支架和,极板的电阻。,在几兆赫频率下工作时，,这个值通常很小，随着频,率增高而增大。因此，只,有在很高的工作频率时，,才要加以考虑。,并联损耗电阻,Rp,：,包含,极板间漏电阻和介质损,耗；,*,2,检测技术与检测元件,41,电感,L,：,由电容器本,身的电感和外部引线,的电感所组成。,电容器本身的电感与,电容器的结构形式有,关，引线电感则与引,线长度有关，引线越,短，电感越小。,如果用电缆与电容式,传感器相连接，则,L,中应包括电缆的电感。,*,

30、2,检测技术与检测元件,42,寄生电容,Cp,：,主要指电缆寄生电容，它与传感器电容,C,相并联。,由于受结构与尺寸的限制，一般电容量都很小，几个皮法到几十,皮法，属于小功率、高阻抗器件，极易受外界干扰，尤其是电缆,寄生电容。,寄生电容比电容传感器的电容大几倍至几十倍，且具有随机性，,又与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹,没传感器的有用信号，使传感器无法使用。,因此消灭寄生电容的影响，是电容式传感器实用化的关键。,*,2,检测技术与检测元件,43,设电容传感器等效电容为,C,e,，在忽略,Cp,、,R,P,，,R,S,的,情况下（未接电缆，先不考虑寄生电容）,e,C,j,C

31、,j,L,j,?,?,?,1,1,?,?,LC,C,C,e,2,1,?,?,?,*,有效电容：,2,检测技术与检测元件,44,有效电容：,有效电容的增量为对上式的微分：,有效电容的相对变化量：,电容传感器的有效灵敏度系数：,LC,C,C,C,C,2,e,e,1,1,?,?,?,?,?,LC,C,C,2,e,1,?,?,?,2,2,e,),1,(,LC,C,C,?,?,?,?,?,LC,K,d,C,C,K,2,c,e,e,e,1,/,?,?,?,?,?,?,结论,：电容传感器有效灵敏度系数与,w,2,LC,有关，随,w,和,L,变化。,C,L,C,?,?,?,j,1,j,j,1,e,?,?,*,

32、2,检测技术与检测元件,45,?,注意,：电容传感器工作与标定的条件应相,同：电源频率不变，引线长度不能改变。,引线长度改变需对电容式传感器的有效灵,敏度重新标定。,*,2,检测技术与检测元件,46,2.4.3,电容式检测元件的温度补偿及抗干扰问题,1.,电容式检测元件的温度补偿,（,1,）温度对结构尺寸的影响,由于电容式传感器极间隙很小,对结构尺寸的变,化特别敏感。,在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情,况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从,而产生很大的温度误差。,为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温,度系数稳定的材料。,*,2,检测技术与检测元件,47,（,2,）温度对介质

33、介电常数的影响,温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气,及云母的介电常数温度系数近似为零。而某些液体,介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温,度系数较大。,例如，,煤油的介电常数的温度系数可达,0.07,；,若环境温度变化,50,，则将带来,7,的温度误差，,故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。,*,2,检测技术与检测元件,48,2.,消除寄生电容的影响,由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往,往使传感器不能正常使用。,消除和减小寄生电容影响的方法可归纳为以下几种：,（,1,）增加初始电容值,可减小极片或极筒间的距离,（,2,）集成法：,缩小传感器至测量线路前置级

34、的距离,将集成电路、超小型电容器应用于测量电路。,可使得部,分部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄,生电容值固定不变。,*,2,检测技术与检测元件,49,（,3,）“驱动电缆”技术（“双层屏蔽等电位传输”技术）,?,传感器与测量电路前置级间的引线为,双屏蔽层电缆,，其,内屏蔽层,与,信号传输线,(,即电缆芯线,),通过,1:1,放大器成为,等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。,?,外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。,?,内外屏蔽层之间的电容是,1:1,放大器的负载。,1,：,1,测量,电路,前置级,外屏蔽层,内屏蔽层,芯线,传,感,器,“,驱动电缆”技术原

35、理图,*,2,检测技术与检测元件,50,由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称,为“驱动电缆”。,采用这种技术可使电缆线长达,10m,之远也不影响仪器的性能。,1:1,放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数,为,1(,准确度要求达,1/10000,),的同相,(,要求相移为零,),放大器。,因此“驱动电缆”技术对,1:1,放大器要求很高，电路复杂，但能,保证电容式传感器的电容值小于,1pF,时，也能正常工作。,1,：,1,测量,电路,前置级,外屏蔽层,内屏蔽层,芯线,器,传,感,“,驱动电缆”技术原理图,*,2,检测技术与检测元件,51,（,4,）整体屏蔽技术,将

36、电容式传感器和所采用的转换电路、传输,电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地,点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。,*,2,检测技术与检测元件,52,（,3,）整体屏蔽技术,下图是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系,统,屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂,R,1,和,R,2,中间，使,电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容,C,3,和,C,4,分别与,R,1,和,R,2,并联。,如果,R,1,和,R,2,比,C,3,和,C,4,的容抗小得多，则寄生电容,C,3,和,C,4,对,电桥平衡状态的影响就很小。,*,2,检测技术与检测元件,53,（,3,）整体屏蔽技术,公用极板与屏蔽之间（也

37、就是公用极板对地）的,寄生电容,C,1,只影响灵敏度，不妨碍电桥的正确工,作。,因此寄生电容对传感器电容的影响基本上得到了,排除。,*,2,检测技术与检测元件,54,2.4.4,电容式检测元件的应用,电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加,速度、荷重等机械量的测量，也广泛应用于压力、差,压力、液压、料位、成分含量等热工参数测量。,1.,电容式压力（差压）传感器,实质：,位移传感器，,它利用弹性膜片在压,力下变形所产生的位,移来改变传感器的电,容（此时膜片作为电,容器的一个电极）。,*,2,检测技术与检测元件,55,*,过程压力通过两侧或一侧,隔离膜片，灌充液作用在敏,感元件张紧的测量膜片上

38、,测,量膜片与两侧绝缘体上的电,容极板各组成一个电容器,在,无压力通入或两侧压力均等,时测量膜片处于中间位置,两,个电容器的电容量相等。,当,两侧压力不一致时,致使测量,膜片产生位移,其位移量和压,力差成正比,这种位移转变为,电容极板上形成的差动电容,。由电子线路把差动电容转,换成,4-20mADC,的电流信号,。,2,检测技术与检测元件,56,各种电容式差压变送器外形,高压侧,进气口,低压侧,进气口,电子,线路,位置,内部不锈钢膜片的位置,2,检测技术与检测元件,57,各种电容式差压变送,器外形（续）,2,检测技术与检测元件,58,各种电容式压力变送器外形（续）,（参考丹东长,隆自控有限公,

39、司,资料）,法兰,2,检测技术与检测元件,59,各种电容式压力变送器外形（续）,2,检测技术与检测元件,60,差压变送器,施加在高压侧腔体内,的压力与液位成正比：,p,=,?,g h,电容差压变送器用于测量液,体的液位,2,检测技术与检测元件,61,电容差压变送器用于测量液,体的液位,投入式水位计,2,检测技术与检测元件,62,1,2,电容式加速度传感器,特点,:,频率响应快和量程范围大,大多采用空气或其它气,体作阻尼物质。,原理：,当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止,而两个固定电极将相对质量块在垂,直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两

40、电容的,间隙发生变化,一个增加,一个减小,从而使,C1,、,C2,产生大小相等,符号相反的增量,此增量正比于被测加速度。,*,2,检测技术与检测元件,63,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。,当测得的负加速度值超过设定值时，,微处理器据此判断,发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速,充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感,器的假人,气囊,2,检测技术与检测元件,64,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞,时，经控制系统使气囊迅速充气,。,2,检测技术与检测元件,65,汽车气囊对驾驶员的保护作用,2,检测技术与检测元件,66,利用加速度传感器实现,延,时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,2,检测技术与检测元件,67,3,、电容式荷重传感器,原理：,当圆孔受荷重变形时，电容值将改变，,在电路上各电容并联，因此总电容增量将正比于,被测平均荷重,F,。,特点：,测量误差小、受接触面影响小；采用