电容式检测元件

1、2 检测技术与检测元件 12.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？什么是电容器？ 电容器由两个用介质（固体、液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体或气体）或真空隔开的电导体构成。构成。QCV第4节 电容式检测元件*2 检测技术与检测元件 3 概念概念: :电容式检测元件可以将某些物理量的变化转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。变为电容量的变化。 优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现性强、动态响应时间短、易实现非接触测量非接触测量等。

2、等。 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成由于材料、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，使电容式传感器的优容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。点得以充分发挥。 应用应用：用于测量压力、位移、厚度、加速度、液：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。位、物位、湿度和成分含量等。*2 检测技术与检测元件 42.4.1 电容检测元件的工作原理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电容检测元件实际上是各种类型的可变电可变电容器容器，

3、它能将被测量的改变转换为电容量，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、频率等的变化，进而转变成电压、电流、频率等电信号。电信号。 按照极板形状按照极板形状，电容检测元件分为，电容检测元件分为平板平板和和圆筒形圆筒形。*2 检测技术与检测元件 5平板型电容器平板型电容器当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量C为为 A极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； d极板间距离；极板间距离； r介质材料的相对介电常数介质材料的相对介电常数,空气的空气的r =1； 0 真空介电常数，真空介电常数，0 8.85pF/m； 电容极板间介质的介电常数。电容极板

4、间介质的介电常数。dAC/dAr/0 A d*2 检测技术与检测元件 6圆柱式线位移电容器圆柱式线位移电容器 在不计边缘效应影响时，在不计边缘效应影响时， 圆柱式的电容器的电容量为圆柱式的电容器的电容量为 式中式中,l 外圆柱筒与内圆柱外圆柱筒与内圆柱重叠重叠部分长度（高度）部分长度（高度）； R外外圆柱圆柱内径内径； r 内内圆柱圆柱外径外径。线性关系线性关系02lnrlCRr *2 检测技术与检测元件 7当被测参数当被测参数A A（l l）,或或d d发生变化时发生变化时, , 电容量电容量C C也随也随之变化。如果保持其中两个参数不变之变化。如果保持其中两个参数不变, , 而仅改变其中而

5、仅改变其中一个参数一个参数, , 就可把该参数的变化转换为电容量的变化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量输出。通过测量电路就可转换为电量输出。因此因此, , 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、变面积型和变介质型介质型三种类型。三种类型。改变平行极板间距改变平行极板间距d d的电容式传感器可以测量微米数的电容式传感器可以测量微米数量级的位移、压力，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，位移，变介电常数的电容式传感器适用于液面、厚度的测量。变介电常数的

6、电容式传感器适用于液面、厚度的测量。dAC/dAr/002lnrlCRr *2 检测技术与检测元件 8变极距变极距(d)(d)型型: (a): (a)、(e) (e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b): (b)、(c)(c)、(d)(d)、(f)(f)、(g) (g) （h h） 变介电常数变介电常数()()型型: :（i i）(l) (l) *2 检测技术与检测元件 91.1.变极距（间距）型电容传感器变极距（间距）型电容传感器 1 11 2 2 23 d d d d 0 d0 ddCC0 Cs定极定极板板动极动极板板2.4.2 电容元件的结构和特性电容元件的结构和特性*2 检测技

7、术与检测元件 10变极距（间隙）式电容传感器变极距（间隙）式电容传感器*2 检测技术与检测元件 11极板面积为极板面积为A，初始距离为，初始距离为d0，以空气为介质，以空气为介质（ r=1），电容器的电容为），电容器的电容为若电容器极板距离初始值若电容器极板距离初始值 d0减小减小 d，其电容量增加，其电容量增加 C，即，即由上式，电容的相对变化量为由上式，电容的相对变化量为(上式两侧同时除以上式两侧同时除以C0) 000dAC0000011ddCddACCC0001ddddCC（1 1）灵敏度分析）灵敏度分析非线性关系非线性关系A*2 检测技术与检测元件 12 ，按幂级数展开得按幂级数展开得

8、 略去非线性项（高次项），则得近似的线性关系式略去非线性项（高次项），则得近似的线性关系式 电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度为减小极间距，利于提高灵敏度。减小极间距，利于提高灵敏度。物理意义物理意义：单位位移引起的电容量的（相对）变化量的大小。：单位位移引起的电容量的（相对）变化量的大小。 1/0dd 30200001ddddddddCC00ddCC00001/KddCCKdCdC或*0001ddddCC2 检测技术与检测元件 13略去高次项（非线性项）引起的略去高次项（非线性项）引起的相对非线性误差相对非线性误差为为 可见极间距越小，利于可见极间距越小，利于提高灵敏度提高灵敏度，但是，

9、但是非线性误差非线性误差增加增加矛盾矛盾。且。且d d0 0过小时，容易引起电容器击穿。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。用差动结构。 改善击穿条件的办法是在极板间放置改善击穿条件的办法是在极板间放置高介电常数材料高介电常数材料云母片等介电材料。云母片等介电材料。001ddCCK%100003020 ddddddddCCC 30200001ddddddddCC00ddCC（2）相对非线性误差）相对非线性误差*2 检测技术与检测元件 14 （3 3）差动变间隙式电容传感器）差动变间隙式电容传感器

10、在差动式电容传感器中，其中电容器在差动式电容传感器中，其中电容器C C1 1的电容随位移的电容随位移d d 的减小而增大时，另一个电容器的减小而增大时，另一个电容器C C2 2的电容则随着的电容则随着d d的增大而减小。的增大而减小。 10011ccdd00211ddcc目的目的v灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍v减小非线性减小非线性*2 检测技术与检测元件 15它们的特性方程分别为它们的特性方程分别为总的电容变化量总的电容变化量电容的相对变化量为电容的相对变化量为略去高次项略去高次项, ,近似成线性关系近似成线性关系差动电容式传感器的灵敏系数为：差动电容式传感器的灵敏系数为：30200011dd

11、ddddCC30200021ddddddCC30002122ddddCCCC 40200012ddddddCC002ddCCa）差动结构）差动结构灵敏度灵敏度分析分析000022ddCCKdCdCKCC或v结论：灵敏度结论：灵敏度提高一倍！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差动电容式传感器的相对非线性误差非线性误差近似为近似为 结论：结论： 差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。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由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。化所造成的误差。%1

12、00222220030040200 ddddddddddddddCCC002ddCC 40200012ddddddCCv非线性误差减小非线性误差减小b）差动结构）差动结构非线性误差非线性误差分析分析*2 检测技术与检测元件 17 1 1 211 2 223(a)(b)(c)(d)常用的有角位移型和线位移型两种。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。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。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 18板状线位移变面积型板状线位移变面积

13、型*2 检测技术与检测元件 19（1 1）板状板状线位移式电容传感器线位移式电容传感器 极板起始覆盖面积为极板起始覆盖面积为A A = = a ab b，沿活动极板宽度，沿活动极板宽度方向移动方向移动a a，则改变了两极板间覆盖的面积，忽，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为略边缘效应，改变后的电容量为 电容的变化量为电容的变化量为 灵敏度为灵敏度为adbCdaabC0)(aaCadbCCC00aaCCKaCaCK1/0C0C或线性关系线性关系常数常数*2 检测技术与检测元件 20灵敏度系数灵敏度系数K KC C为常数，可见为常数，可见减小极板宽度减小极板宽度a a可提高

14、可提高灵敏度；灵敏度；极板的起始覆盖长度极板的起始覆盖长度b b与灵敏度系数与灵敏度系数K KC C无关。但无关。但b b不能太小，必须保证不能太小，必须保证b bd d( (极距极距) )，否则边缘处，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。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平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板对移动极板的平行度要求高的平行度要求高，稍有倾斜会导致极距，稍有倾斜会导致极距d d变化，影变化，影响测量精度。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。作成圆柱式的。aaCCK1/0C*2 检测

15、技术与检测元件 21同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器*2 检测技术与检测元件 22 （2）圆柱式线位移电容传感器圆柱式线位移电容传感器 在不计边缘效应影响时，在不计边缘效应影响时， 圆柱式的电容器的电容量为圆柱式的电容器的电容量为 式中式中l 外圆柱筒与内圆柱外圆柱筒与内圆柱重叠部分长度（高度）重叠部分长度（高度）； r2外外圆柱圆柱内径内径； r1内内圆柱圆柱外径外径。12ln2rrlC线性关系线性关系*2 检测技术与检测元件 23 动极（圆柱）沿轴线移动动极（圆柱）沿轴线移动 l时，电容的变化量为时，电容的变化量为 若采用差动结构，动极向上移动若采用差动结构，动极向

16、上移动l，则上面部分的电容量，则上面部分的电容量Ca增加，下面部分的电容量增加，下面部分的电容量Cb减少，使输出为差动形式，有减少，使输出为差动形式，有 llCC1K灵敏度llCrrlC)/ln(212llCrrllrrllCCC2)/ln()(2)/ln()(21212ballCC2K灵敏度常数常数常数常数结论：结论：采用差动式结构，电容变化量增加一倍，则采用差动式结构，电容变化量增加一倍，则灵敏度也提高一倍灵敏度也提高一倍,且灵敏度为常数。且灵敏度为常数。*2 检测技术与检测元件 24角位移变面积型角位移变面积型*2 检测技术与检测元件 25 （3 3）角位移式电容传感器）角位移式电容传感

17、器 设两半圆极板重合时，电容量为设两半圆极板重合时，电容量为 动极动极2 2转过角，电容量变为转过角，电容量变为 则电容变化量为则电容变化量为 则灵敏度系数为则灵敏度系数为drdSC220002)/1 (2)(CCdSdrC00CCCC1/0CCCK线性关系线性关系常数常数*2 检测技术与检测元件 26 综合上述分析，变面积式电容传感综合上述分析，变面积式电容传感器不论被测量是线位移还是角位移，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。边缘效应），传感器灵敏系数为常数。*2 检测技术与检测元件 273.变介

18、电常数电容传感器变介电常数电容传感器*2 检测技术与检测元件 28v这种传感器大多用于测量电介质的厚度这种传感器大多用于测量电介质的厚度( (图图a a) )、位、位移移( (图图b b) )、液位、液位( (图图c c) )。v( (图图d d) )根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、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。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 29 厚度为厚度为d2的介质（介电常数为的介质（介电常数为 2）在电容器中移动时，）在电容器中移动时，电容器中

19、介质的介电常数（总值）改变使电容量改电容器中介质的介电常数（总值）改变使电容量改变，于是可用来变，于是可用来测量位移测量位移x。 如图有如图有 ， ，无介质，无介质 2即即x=0时，有时，有BACCC21ddd d1 x l CACB x d22211AddbxC1B/1)(dxlbCdblC/10当介质当介质 2移进移进电容器中电容器中x长长度时，有度时，有2)电容计算*2 检测技术与检测元件 30 设式中设式中 则有则有 结论：结论：电容量电容量C与位移量与位移量x成线性关系。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，上述结论均忽略了边缘效应。实际上，由于边缘效应，将有

20、非线性，并使灵敏度下降。将有非线性，并使灵敏度下降。xdddlCCdddlxdCCdddbxdblC1111221100122120012211111211ddlAAxCC102211AddbxC1B/1)(dxlbCdblC/10*2 检测技术与检测元件 313 3）变介电常数式电容传感器图片）变介电常数式电容传感器图片*2 检测技术与检测元件 324 4）应用：）应用：变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器电容式液位计电容式液位计n圆筒式液位传感器如下图，容器中液体不导电（若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，确定传感器是，则电极要绝缘），

21、若忽略边缘效应，确定传感器的电容量的电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x的关系。的关系。 C1CC2h1液位传感器液位传感器h2r12r2hx12*等效电路：2 检测技术与检测元件 334 4）应用：）应用：变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器电容式液位计电容式液位计C1CC2xxxxKhArrhrrhrrhrrhhCCC)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln()(2122112212112221结论：结论：传感器电容量传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。 )/ln(2122rrhA)/ln()(21221rrK0

22、)/ln(2122minxhrrChhrrCx)/ln(2121maxh1液位传感器液位传感器h2r12r2hx12*2 检测技术与检测元件 342.4.42.4.4电容式检测元件的应用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、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、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。差压力、液压、料位、成分含量等热工参数测量。1.1.电容式压力（差压）传感器电容式压力（差压）传感器实质：实质：位移传感器，位移传感器，它利用弹性膜片在压它利用弹性膜片在压力下

23、变形所产生的位力下变形所产生的位移来改变传感器的电移来改变传感器的电容（此时膜片作为电容（此时膜片作为电容器的一个电极）。容器的一个电极）。*2 检测技术与检测元件 35* 过程压力通过两侧或一过程压力通过两侧或一侧隔离膜片，灌充液作用在侧隔离膜片，灌充液作用在敏感元件张紧的测量膜片上敏感元件张紧的测量膜片上, ,测量膜片与两侧绝缘体上的测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组成一个电容器电容极板各组成一个电容器, ,在无压力通入或两侧压力均在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置等时测量膜片处于中间位置, ,两个电容器的电容量相等。两个电容器的电容量相等。当两侧压力不一致时当两侧压力不一

24、致时, ,致使测致使测量膜片产生位移量膜片产生位移, ,其位移量和其位移量和压力差成正比压力差成正比, ,这种位移转变这种位移转变为电容极板上形成的差动电为电容极板上形成的差动电容。由电子线路把差动电容容。由电子线路把差动电容转换成转换成4-20mADC4-20mADC的电流信号的电流信号。2 检测技术与检测元件 36各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子电子线路线路位置位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置2 检测技术与检测元件 37各种电容式差压变送各种电容式差压变送器外形（续）器外形（续） 2 检测技术与检测元件 38

25、各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） （参考（参考丹东长丹东长隆自控有限公隆自控有限公司司 资料）资料）法兰法兰2 检测技术与检测元件 39各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） 2 检测技术与检测元件 40差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：的压力与液位成正比： p = g h电容差压变送器用于测量液电容差压变送器用于测量液体的液位体的液位 2 检测技术与检测元件 41电容差压变送器用于测量液电容差压变送器用于测量液体的液位体的液位 投入式水位计投入式水位计2 检测技术与检测元件 422 2 电容式加速度传

26、感器电容式加速度传感器特点特点:频率响应快和量程范围大频率响应快和量程范围大, 大多采用空气或其它气大多采用空气或其它气体作阻尼物质。体作阻尼物质。原理：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。此位移使两电容的直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化间隙发生变化, 一个增加一个增加, 一个减小一个减小, 从而使从而使C1、 C2产生大小相等产生

27、大小相等, 符号相反的增量符号相反的增量, 此增量正比于被测加速度。此增量正比于被测加速度。*2 检测技术与检测元件 43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 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。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，当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器微处理器据此判断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。充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊

28、2 检测技术与检测元件 44汽车气囊的保护作用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时，经控制系统使气囊迅速充气 。 2 检测技术与检测元件 45汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用2 检测技术与检测元件 46利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延延时起爆的钻地炸弹时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置2 检测技术与检测元件 47 3 3、电容式荷重传感器、电容式荷重传感器 原理：原理：当圆孔受荷重变形时，电容值将改变，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

29、正比于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被测平均荷重F F。 特点：特点：测量误差小、受接触面影响小；采用高测量误差小、受接触面影响小；采用高频振荡电路为测量电路，把检测、放大等电路置频振荡电路为测量电路，把检测、放大等电路置于孔内；利用直流供电，输出也是直流信号；无于孔内；利用直流供电，输出也是直流信号；无感应现象，工作可靠，温度漂移可补偿到很小。感应现象，工作可靠，温度漂移可补偿到很小。 F*2 检测技术与检测元件 48 4 4、振动、位移测量仪、振动、位移测量仪 DWYDWY3 3振动、位移测量仪是一种电容调频原理的振动、位移测量仪是一种电容调频原理的非非接触式测量仪

30、器接触式测量仪器，它既是测振仪，又是电子测微仪，主要，它既是测振仪，又是电子测微仪，主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复结构的运动特性用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复结构的运动特性和定位精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和定位精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度等，以及用于某些特殊测量。是一种广泛应用的和平直度等，以及用于某些特殊测量。是一种广泛应用的通用性精密机械测试仪器。通用性精密机械测试仪器。 该测试仪器的传感器是一片金属板，做为固定极板，而以该测试仪器的传感器是一片金属板，做为固定极板，而以被测构件为动极组成电容器，测量原理如图所示。被测构件为动极组成

31、电容器，测量原理如图所示。 示波器 传感器 记录器 d0 DYW3旋转轴的回转精度和振摆的旋转轴的回转精度和振摆的测量原理测量原理*2 检测技术与检测元件 49位移测量 弯曲、波动弯曲、波动变形变形移动、位移移动、位移位置、膨胀位置、膨胀振动、偏心振动、偏心位置、膨胀位置、膨胀冲击、变形冲击、变形轴向窜动轴向窜动阀门位移阀门位移活塞移动活塞移动 厚度、轮廓厚度、轮廓偏心、直径偏心、直径同心度同心度压缩机叶片压缩机叶片间隙、转速间隙、转速*2 检测技术与检测元件 50原理：原理：变介质型变介质型 变极距型；变极距型；特点：特点：非接触式测量非接触式测量应用：应用：纸张、绝缘薄膜等纸张、绝缘薄膜等5、电容测厚传感器、电容测厚传感器*2 检测技术与检测元件 516 6、电容式液位传感器、电容式液位传感器绝绝缘缘内电极内电极外电极外电极不导电液体不导电液体导电液体导电液体绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极*2 检测技术与检测元件 527.电容式转速传感器电容式转速传感器*2 检测技术与检测元件 538.8.其他应用其他应用*2 检测技术与检测元件 54*2 检测技术与检测元件 55 电