《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 第三节 电阻式检测元件n基本原理基本原理 将将被测物理量的变化被测物理量的变化转换成转换成电阻值的变化电阻值的变化n可以测量位移、形变、加速度、力、力矩、压力、可以测量位移、形变、加速度、力、力矩、压力、温度等。温度等。n常见的电阻检测元件：常见的电阻检测元件：电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等第三节 电阻式检测元件一、应变式检测元件应变式检测元件 电阻应变片：是将作用在检测件上的电阻应变片：是将作用在检测件上的应变变化应变变化转换转换成成电阻变化电阻变化的敏感元件。的敏感元件。n电阻应变片根据材料不同分：金属应变片和半导体应电阻应变片根据材料不同分：金属应变片和半导体应变片。变片。n按工作温度分：常温、中温、高温和低温应变片。按工作温度分：常温、中温、高温和低温应变片。第三节 电阻式检测元件n电阻应变片电阻应变片优点优点：1.测量范围宽、准确度高；测量范围宽、准确度高；2.测量响应速度快；测量响应速度快；3.使用寿命长、性能稳定可靠；使用寿命长、性能稳定可靠；4.价格便宜、品种多；价格便宜、品种多；5.可在高低温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射和化可在高低温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀性强等恶劣环境下工作。学腐蚀性强等恶劣环境下工作。n缺点缺点：输出信号微弱，抗干扰能力弱，使用时需采取屏蔽措施；输出信号微弱，抗干扰能力弱，使用时需采取屏蔽措施；易受温度等环境因素影响。在大应变状态下非线性明显。易受温度等环境因素影响。在大应变状态下非线性明显。电阻应变片工作原理：电阻应变片工作原理：应变效应应变效应即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化现象。的变化而发生变化现象。第三节 电阻式检测元件工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为：为：代入代入第三节 电阻式检测元件有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：第三节 电阻式检测元件有：有：金属应变片：金属应变片：第三节 电阻式检测元件应变计金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式第三节 电阻式检测元件丝式应变片丝式应变片根据基底材料不同分根据基底材料不同分为纸基、胶基、纸浸胶基和金为纸基、胶基、纸浸胶基和金属基等。敏感栅由金属丝绕制属基等。敏感栅由金属丝绕制而成。丝式应变片的电阻丝直而成。丝式应变片的电阻丝直径为径为0.015mm0.05mm，常用，常用的为的为0.025mm。基底很薄，一。基底很薄，一般在般在0.02mm0.04mm，保证有，保证有效地传递变形。制作简单、性效地传递变形。制作简单、性能稳定、价格便宜等，但是横能稳定、价格便宜等，但是横向效应大、散热性差。向效应大、散热性差。应变计金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式第三节 电阻式检测元件箔式应变片：箔式应变片：利用照相制版或光刻腐蚀法，将电阻箔材在绝缘基利用照相制版或光刻腐蚀法，将电阻箔材在绝缘基底上制成各种敏感栅图案形成的应变片。其箔栅厚度在底上制成各种敏感栅图案形成的应变片。其箔栅厚度在0.0030.01mm之间。之间。金属箔式应变片工作原理与金属丝式应变片完全相同，只是其敏感栅由很薄的金属箔式应变片工作原理与金属丝式应变片完全相同，只是其敏感栅由很薄的金属箔片制成，采用了金属箔片制成，采用了光刻、腐蚀光刻、腐蚀等工序，其基底为胶底，有更多优点：等工序，其基底为胶底，有更多优点：1.工艺保证线栅尺寸正确、线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小；工艺保证线栅尺寸正确、线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小；2.可根据需要制成任意形状的箔式应变片，尺寸下很小，如微型小基长（如基可根据需要制成任意形状的箔式应变片，尺寸下很小，如微型小基长（如基长为长为0.1mm）的应变片；）的应变片；3.敏感栅截面积为矩形，表面积大敏感栅截面积为矩形，表面积大，散热性好，在相同截面情况下能允许通过，散热性好，在相同截面情况下能允许通过较大的电流，提高灵敏度；较大的电流，提高灵敏度；4.厚度薄，具有较好的可挠性，其扁平状箔栅（与粘合层）有利于形变的传递；厚度薄，具有较好的可挠性，其扁平状箔栅（与粘合层）有利于形变的传递；5.疲劳寿命长，蠕变小，机械滞后小；疲劳寿命长，蠕变小，机械滞后小；6.箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减小横向效应。箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减小横向效应。7.便于批量生产，生产效率高，成本低。便于批量生产，生产效率高，成本低。应变计第三节 电阻式检测元件金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式采用采用真空溅射或真空沉积真空溅射或真空沉积等镀膜技术制成的。将产生应变的金属或合等镀膜技术制成的。将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。制成各种各样的敏感栅薄膜金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。制成各种各样的敏感栅薄膜（薄膜厚度在零点几纳米到几百纳米），再加上保护层形成应变片。（薄膜厚度在零点几纳米到几百纳米），再加上保护层形成应变片。优点：优点：滞后和蠕变很小；灵敏度高，易实现工业化生产；工作温度范滞后和蠕变很小；灵敏度高，易实现工业化生产；工作温度范围广，围广，-197+317，也可用于核辐射等特殊情况；可以直接制作在，也可用于核辐射等特殊情况；可以直接制作在弹性敏感元件上，形成测量元件或者传感器，免去了应变片的粘贴工弹性敏感元件上，形成测量元件或者传感器，免去了应变片的粘贴工艺过程。是一种很有前途的新型应变片，适合于制作高内阻、小型化、艺过程。是一种很有前途的新型应变片，适合于制作高内阻、小型化、高精度和高稳定性的力敏器件。高精度和高稳定性的力敏器件。半导体应变片半导体应变片简化为：简化为：优点：灵敏度大优点：灵敏度大;体积小体积小;缺点：缺点：温度稳定性和可重复性温度稳定性和可重复性不如金属应变片。不如金属应变片。第三节 电阻式检测元件对半导体材料，前面两项影响很小可视为不变对半导体材料，前面两项影响很小可视为不变：第三节电阻式检测元件n半导体应变片半导体应变片 半导体应变片应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散半导体应变片应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型和外延型等。型和外延型等。扩散硅压力传感器结构图半导体应变片半导体应变片第三节 电阻式检测元件体型半导体体型半导体应变片是将晶片按一定取向切片、研磨、再切应变片是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条，粘贴于基片上制作而成。割成细条，粘贴于基片上制作而成。薄膜型半导体薄膜型半导体应变片是利益能够真空沉积技术将半导体材应变片是利益能够真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成。料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成。扩散型半导体扩散型半导体应变片是将应变片是将P型杂质扩散到高阻的型杂质扩散到高阻的N型硅片上，型硅片上，形成一层极薄的敏感层制成。形成一层极薄的敏感层制成。外延型半导体外延型半导体应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成。单晶硅制成。半导体应变片与金属丝应变片和箔式应变片相比较，半导体应变片与金属丝应变片和箔式应变片相比较，第三节 电阻式检测元件优点优点：1.灵敏系数高。比金属应变片的灵敏度系数大灵敏系数高。比金属应变片的灵敏度系数大50100倍。解决倍。解决了处理微弱小信号的困难，大大简化了线路。工作时不必用放大器就了处理微弱小信号的困难，大大简化了线路。工作时不必用放大器就可用电压表或者示波器等简单仪器记录测量结果。可用电压表或者示波器等简单仪器记录测量结果。2.体积小，耗电量体积小，耗电量少。少。3.机械滞后小，动态特性好。机械滞后小，动态特性好。缺点缺点：半导体应变片的电阻温度系数大（温度稳定性差），测量较大半导体应变片的电阻温度系数大（温度稳定性差），测量较大应变时非线性严重，灵敏度分散性大。但是半导体集成电路工艺发展应变时非线性严重，灵敏度分散性大。但是半导体集成电路工艺发展迅速，扩散型、外延型和薄膜型，使其缺陷得到一定改善。例如迅速，扩散型、外延型和薄膜型，使其缺陷得到一定改善。例如扩散扩散型半导体应变片型半导体应变片是在感压硅膜上采用集成工艺扩散技术形成力敏电阻，是在感压硅膜上采用集成工艺扩散技术形成力敏电阻，将膜片和力敏电阻做成一体，不需要粘贴，精度高，容易实现小型化，将膜片和力敏电阻做成一体，不需要粘贴，精度高，容易实现小型化，抗振和耐冲击能力强，是国外目前应用最普遍的一种类型。抗振和耐冲击能力强，是国外目前应用最普遍的一种类型。电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力第三节电阻式检测元件标准产品标准产品第三节电阻式检测元件案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量第三节电阻式检测元件案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。第三节电阻式检测元件案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测第三节电阻式检测元件案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量第三节电阻式检测元件案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、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。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n应变片的主要特性应变片的主要特性n应变片的电阻值应变片的电阻值 应变片在没有受到应力和产生变形前，应变片在没有受到应力和产生变形前，在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。n灵敏系数灵敏系数 n绝缘电阻绝缘电阻 绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测构件绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测构件之间的电阻值。之间的电阻值。第三节电阻式检测元件n横向效应横向效应 直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数 的的改变，这种现象称为横向效应改变，这种现象称为横向效应。n机械滞后机械滞后 应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载和卸载时的输入载，加载和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象称机械输出特性曲线不重合的现象称机械滞后滞后。第三节电阻式检测元件n零漂和蠕变零漂和蠕变 n粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂 n在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应变值随时间变化的特性称应变片的蠕变变值随时间变化的特性称应变片的蠕变 n允许电流允许电流 允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流所允许通过的最大电流 第三节电阻式检测元件n应变极限应变极限 应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与真实应变的相对误差不超过规定值真实应变的相对误差不超过规定值 （一般为（一般为10%10%）时的最）时的最大真实应变值大真实应变值第三节电阻式检测元件二、热电阻式检测元件热电阻式检测元件n原理：热电阻效应，物质的电阻率随温度变化。原理：热电阻效应，物质的电阻率随温度变化。n热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导体热敏电阻体热敏电阻 n金属热电阻大多具有正温度系数；半导体热敏电阻大多为负金属热电阻大多具有正温度系数；半导体热敏电阻大多为负温度系数。温度系数。一、金属热电阻一、金属热电阻金属热电阻丝材料一般应满足如下要求：金属热电阻丝材料一般应满足如下要求：电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度。电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度。电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减少热电阻体尺寸。电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减少热电阻体尺寸。在整个测量温度范围内，物理化学性能稳定。在整个测量温度范围内，物理化学性能稳定。应有良好的可加工性、复现性好、价格便宜等。应有良好的可加工性、复现性好、价格便宜等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n金属热电阻金属热电阻 金属热电阻需考虑问题nR0（t0的R）的大小综合考虑常用R050R0100n电阻丝的粗细综合考虑常用铂电阻d0.030.07mm铜电阻d0.1mm热电阻丝铂电阻分度表铂电阻分度表 第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜常用的金属热电阻有铂、铜n铂电阻：铂电阻：n铜电阻：铜电阻：第三节电阻式检测元件n铂热电阻的特点铂热电阻的特点：精度高、稳定性好、性能可靠。因为铂在氧化性介质中，甚至在高温下物理化学性质都非常稳定。但在还原介质中，特别是在高温下容易被从氧化中还原出来的蒸汽沾污，使铂丝变脆，并改变其温度系数，所以采用铂热电阻测量温度的范围是有限的。一般为-200850 。n铜热电阻的优点：铜热电阻的优点：1）价格便宜；2）铜的电阻与温度几乎是线性的；3）电阻温度系数较大；n铜热电阻的缺点：铜热电阻的缺点：1）电阻率较小，体积较大；2）易氧化，使用环境要求高；3）测量温度范围小-50150 。第三节电阻式检测元件n金属热电阻特点：精度高。要注意金属热电阻特点：精度高。要注意自热误差和引线电阻自热误差和引线电阻的影响的影响n自热误差：自热误差：通电流有功耗，发热导致电阻值发生变化。通电流有功耗，发热导致电阻值发生变化。解决办法是限制电流，不超过解决办法是限制电流，不超过6mA;n引线电阻的影响：引线电阻的影响：热电阻本身电阻值较小，引线电阻不热电阻本身电阻值较小，引线电阻不能忽略。通常采用三线制或者四线制接法避免。能忽略。通常采用三线制或者四线制接法避免。热电阻传感器 热电阻传感器的组成热电阻传感器的组成由热电阻、连接导线及显示仪表组成由热电阻、连接导线及显示仪表组成第三节电阻式检测元件用用热热电电阻阻传传感感器器进进行行测测温温时时，测测量量电电路路经经常常采采用用电电桥桥电电路路。热热电电阻阻与与检检测测仪仪表表相相隔隔一一段段距距离离，因因此此热热电电阻阻的的引线对测量结果有较大的影响。引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。第三节电阻式检测元件内部引线方式 第三节电阻式检测元件两线制n这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。引线电阻的变化会带来附加误差。n两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。第三节电阻式检测元件三线制用于工业测量，一般精度第三节电阻式检测元件四线制实验室用，高精度测量第三节电阻式检测元件热敏电阻n热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化显著变化。第三节电阻式检测元件热敏电阻热敏电阻n金属的电阻值随温度的升高而增大，半导体相反：它金属的电阻值随温度的升高而增大，半导体相反：它的阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一的阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一般来说，般来说，半导体比金属具有更大的电阻温度系数半导体比金属具有更大的电阻温度系数。在。在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的的10倍，因此可用来测量倍，因此可用来测量0.01 或者更小的温度差异。或者更小的温度差异。n半导体的这种温度特性源于半导体的半导体的这种温度特性源于半导体的导电方式导电方式是载流是载流子（电子、空穴）导电，由于半导体中载流子的数目子（电子、空穴）导电，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，半导体电导率增加，它的电阻率也就降低。会增多，半导体电导率增加，它的电阻率也就降低。第三节电阻式检测元件热敏电阻的电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性nNTC热敏电阻：负温度系数。热敏电阻在不同值时的热敏电阻：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：特别适用于：50300之间测温。之间测温。nPTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。备的过热保护等。nCTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。主要用作温度开关。n各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。或四线制接法，给使用带来方便。第三节电阻式检测元件热敏电阻的电阻温度特性曲线第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件工业热电阻铠装式热电阻辐射式温度计.第三节电阻式检测元件三、其它电阻式检测元件三、其它电阻式检测元件湿敏元件结构原理图湿敏电阻工作过程：湿敏电阻工作过程：水分子极易吸附于固水分子极易吸附于固体表面体表面渗透到固体渗透到固体内部内部半导体的电阻半导体的电阻值降低值降低第三节电阻式检测元件n湿敏电阻的特性湿敏电阻的阻值随湿度增加而减小，而且湿敏电阻的特性与温度有关，所以在使用中，要采用温度补偿措施湿敏电阻特性曲线第三节电阻式检测元件高分子湿敏电阻高分子湿敏电阻湿敏电阻第三节电阻式检测元件n气敏电阻气敏电阻是由某些半导体材料制成，它是利用半导体与特定气体接触时，其电阻值发生变化的效应进行测量的。第三节电阻式检测元件n醉驾手持数字酒精测试仪手持数字酒精测试仪呼气管呼气管家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳检测仪一氧化碳检测仪电容式检测元件：可以用来测量位移、振动、角度，还可以测电容式检测元件：可以用来测量位移、振动、角度，还可以测电容式检测元件：可以用来测量位移、振动、角度，还可以测电容式检测元件：可以用来测量位移、振动、角度，还可以测量压力、差压、液位、料位、成分含量等。具有一系列优点：量压力、差压、液位、料位、成分含量等。具有一系列优点：量压力、差压、液位、料位、成分含量等。具有一系列优点：量压力、差压、液位、料位、成分含量等。具有一系列优点：1 1 1 1）结构简单；）结构简单；）结构简单；）结构简单；2 2 2 2）低功耗；）低功耗；）低功耗；）低功耗；3 3 3 3）动态特性好；）动态特性好；）动态特性好；）动态特性好；4 4 4 4）非接触式测量；）非接触式测量；）非接触式测量；）非接触式测量；也有局限性：电容起始值较小，并且电容的变化量更小，容易也有局限性：电容起始值较小，并且电容的变化量更小，容易也有局限性：电容起始值较小，并且电容的变化量更小，容易也有局限性：电容起始值较小，并且电容的变化量更小，容易受寄生杂散电容以及外界各种干扰的影响，必须采取良好的屏受寄生杂散电容以及外界各种干扰的影响，必须采取良好的屏受寄生杂散电容以及外界各种干扰的影响，必须采取良好的屏受寄生杂散电容以及外界各种干扰的影响，必须采取良好的屏蔽和绝缘措施。蔽和绝缘措施。蔽和绝缘措施。蔽和绝缘措施。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 工作原理：工作原理：以电容器为敏感元件，将以电容器为敏感元件，将机械位移量机械位移量转换为转换为电容量变化电容量变化的传感器称为电容式传感器。的传感器称为电容式传感器。电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器变极距式变极距式变极距式变极距式变面积式变面积式变面积式变面积式变介电常数式变介电常数式变介电常数式变介电常数式第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 极板间介质的介电系数；极板间介质的介电系数；极板间介质的介电系数；极板间介质的介电系数；0 0 真空的介电常数，真空的介电常数，真空的介电常数，真空的介电常数，0 0 0 0=8.854=8.854=8.854=8.85410101010-12-12-12-12 F/m F/m F/m F/m；r r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r r r r 1111。工作原理工作原理平行极板电容器的电容量为：平行极板电容器的电容量为：+-第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件极板极板极板极板2 2上移上移上移上移:设动极板未移动时极板间距为设动极板未移动时极板间距为设动极板未移动时极板间距为设动极板未移动时极板间距为d d d d0 0 0 0初始电容量为：初始电容量为：初始电容量为：初始电容量为：电容的相对变化量为：电容的相对变化量为：电容的相对变化量为：电容的相对变化量为：第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件1.1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 略去高次项，得：略去高次项，得：略去高次项，得：略去高次项，得：所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足dddd0 0的条件。且一般的条件。且一般 d d只能在极小的范围内变化。只能在极小的范围内变化。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件非线性误差与非线性误差与非线性误差与非线性误差与 d/dd/dd/dd/d0 0 0 0有关。其表达式为：有关。其表达式为：有关。其表达式为：有关。其表达式为：电容传感器的灵敏度为：电容传感器的灵敏度为：电容传感器的灵敏度为：电容传感器的灵敏度为：第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件动极板上移时：动极板上移时：动极板上移时：动极板上移时：初始位置时，初始位置时，初始位置时，初始位置时，第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件差动式变间隙型电容传感器差动式变间隙型电容传感器第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件提高一倍提高一倍减小减小略去高次项：略去高次项：电容量的相对变化为电容量的相对变化为 ：非线性误差为：非线性误差为：灵敏度：灵敏度：第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件2.2.变面积型电容传感器变面积型电容传感器(角位移变面积型角位移变面积型)第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件定片定片定片定片动片动片动片动片 角位移式角位移式角位移式角位移式第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件线性线性第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件线性线性当其中一个极板发生当其中一个极板发生当其中一个极板发生当其中一个极板发生x x位移后，改变了两极板间的遮位移后，改变了两极板间的遮位移后，改变了两极板间的遮位移后，改变了两极板间的遮盖面积盖面积盖面积盖面积A A ，电容量，电容量，电容量，电容量C C同样随之变化。同样随之变化。同样随之变化。同样随之变化。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件b 直线位移式直线位移式直线位移式直线位移式adx第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件初始电容初始电容初始电容初始电容C C C C0 0 0 0为：为：为：为：当内筒上移当内筒上移当内筒上移当内筒上移x x时，内外筒间的电容时，内外筒间的电容时，内外筒间的电容时，内外筒间的电容C C1 1为：为：为：为：D1D0Lx与与x成线性关系成线性关系第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器圆筒式液位传感器 液位传感器的等效电路液位传感器的等效电路液位传感器的等效电路液位传感器的等效电路C C2 2C C1 1C C首先首先首先首先 2 2r r2 22 2r r1 1h hh hx x3.3.3.3.变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件与被测液位与被测液位hx成线性关系。成线性关系。2 2r r2 22 2r r1 1h hh hx x第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件n n等效电路等效电路 在低频率或在高温高湿条件下在低频率或在高温高湿条件下在低频率或在高温高湿条件下在低频率或在高温高湿条件下 ，电容的等效电路为，电容的等效电路为，电容的等效电路为，电容的等效电路为 电容检测元件等效电路 第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件三、电容式检测元件的温度补偿及抗干扰三、电容式检测元件的温度补偿及抗干扰问题问题n n电容式检测元件的温度补偿电容式检测元件的温度补偿 n n消除寄生电容的影响消除寄生电容的影响1 1电容式检测元件的温度补偿电容式检测元件的温度补偿温温温温度度度度变变变变化化化化使使使使传传传传感感感感器器器器内内内内各各各各零零零零件件件件的的的的几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸和和和和相相相相互互互互位位位位置置置置发发发发生生生生改改改改变变变变，从从从从而改变传感器的电容量而改变传感器的电容量而改变传感器的电容量而改变传感器的电容量,产生温度误差。产生温度误差。产生温度误差。产生温度误差。温温温温度度度度变变变变化化化化使使使使某某某某些些些些介介介介质质质质的的的的介介介介电电电电常常常常数数数数发发发发生生生生改改改改变变变变，从从从从而而而而改改改改变变变变传传传传感感感感器器器器的的的的电电电电容量，产生温度误差。容量，产生温度误差。容量，产生温度误差。容量，产生温度误差。必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差。必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差。必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差。必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差。这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完全消除。这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完全消除。这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完全消除。这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完全消除。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 寄寄寄寄生生生生电电电电容容容容与与与与传传传传感感感感器器器器电电电电容容容容相相相相并并并并联联联联，影影影影响响响响传传传传感感感感器器器器灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度，而而而而它它它它的的的的变变变变化化化化则则则则为为为为虚虚虚虚假假假假信信信信号号号号影影影影响响响响仪仪仪仪器器器器的的的的精精精精度度度度，必必必必须须须须消消消消除除除除和和和和减小它。减小它。减小它。减小它。2 2消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件（1 1 1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（2 2 2 2）集成化）集成化）集成化）集成化（3 3 3 3）采用）采用）采用）采用“驱动电缆驱动电缆驱动电缆驱动电缆”(双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输)技术技术技术技术（4 4 4 4）整体屏蔽法）整体屏蔽法）整体屏蔽法）整体屏蔽法第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 （1 1 1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采采采采用用用用减减减减小小小小极极极极片片片片或或或或极极极极筒筒筒筒间间间间的的的的间间间间距距距距(平平平平板板板板式式式式间间间间距距距距为为为为0.2mm0.2mm0.2mm0.2mm，圆圆圆圆筒筒筒筒式式式式间间间间距距距距为为为为0.15mm)0.15mm)0.15mm)0.15mm)，增增增增加加加加工工工工作作作作面面面面积积积积或或或或工工工工作作作作长长长长度度度度来来来来增增增增加加加加原原原原始始始始电电电电容容容容值值值值，但但但但受受受受加加加加工工工工及及及及装装装装配配配配工工工工艺艺艺艺、精精精精度度度度、示示示示值值值值范范范范围围围围、击击击击穿穿穿穿电电电电压压压压、结结结结构构构构等等等等限限限限制制制制。一一一一般般般般电电电电容容容容值值值值变变变变化化化化在在在在 10101010-3-3-3-3101010103 3 3 3 pF pF pF pF范围内。范围内。范围内。范围内。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 （2 2 2 2）集成化）集成化）集成化）集成化 将将将将传传传传感感感感器器器器与与与与测测测测量量量量电电电电路路路路本本本本身身身身或或或或其其其其前前前前置置置置级级级级装装装装在在在在一一一一个个个个壳壳壳壳体体体体内内内内，省省省省去去去去传传传传感感感感器器器器的的的的电电电电缆缆缆缆引引引引线线线线。这这这这样样样样，寄寄寄寄生生生生电电电电容容容容大大大大为为为为减减减减小小小小而而而而且且且且易易易易固固固固定定定定不不不不变变变变，使使使使仪仪仪仪器器器器工工工工作作作作稳稳稳稳定定定定。但但但但这这这这种种种种传传传传感感感感器器器器因因因因电电电电子子子子元元元元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 当当当当电电电电容容容容式式式式传传传传感感感感器器器器的的的的电电电电容容容容值值值值很很很很小小小小，而而而而因因因因某某某某些些些些原原原原因因因因(如如如如环环环环境境境境温温温温度度度度较较较较高高高高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用，测量电路只能与传感器分开时，可采用，测量电路只能与传感器分开时，可采用，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆驱动电缆驱动电缆驱动电缆”技术技术技术技术。（3 3 3 3）“驱动电缆驱动电缆驱动电缆驱动电缆”(双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输)技术技术技术技术采用这种技术可使电缆线长达采用这种技术可使电缆线长达采用这种技术可使电缆线长达采用这种技术可使电缆线长达10m10m10m10m之远也不影响仪器的性能。之远也不影响仪器的性能。之远也不影响仪器的性能。之远也不影响仪器的性能。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆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，其内屏蔽层，其内屏蔽层，其内屏蔽层与信号传输线与信号传输线与信号传输线与信号传输线(即电缆芯线即电缆芯线即电缆芯线即电缆芯线)通过增益为通过增益为通过增益为通过增益为1 1 1 1的放大器成为等电位，从的放大器成为等电位，从的放大器成为等电位，从的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。“驱动电缆驱动电缆驱动电缆驱动电缆”技术技术技术技术第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件由于屏蔽线上有随传感器输由于屏蔽线上有随传感器输由于屏蔽线上有随传感器输由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，出信号变化而变化的电压，出信号变化而变化的电压，出信号变化而变化的电压，因此称为因此称为因此称为因此称为“驱动电缆驱动电缆驱动电缆驱动电缆”。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。当电容式传感器的初始电容值很大当电容式传感器的初始电容值很大当电容式传感器的初始电容值很大当电容式传感器的初始电容值很大(几百几百几百几百 F)F)F)F)时，只要时，只要时，只要时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达缆可以长达缆可以长达缆可以长达10m10m10m10m，仪器仍能正常工作。，仪器仍能正常工作。，仪器仍能正常工作。，仪器仍能正常工作。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件内内内内外外外外屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽层层层层之之之之间间间间的的的的电电电电容容容容是是是是1:11:11:11:1放放放放大大大大器器器器的的的的负负负负载载载载。1:11:11:11:1放放放放大大大大器器器器是是是是一一一一个个个个输输输输入入入入阻阻阻阻抗抗抗抗要要要要求求求求很很很很高高高高、具具具具有有有有容容容容性性性性负负负负载载载载、放放放放 大大大大 倍倍倍倍 数数数数 为为为为 1(1(1(1(准准准准 确确确确 度度度度 要要要要 求求求求 达达达达1/10000)1/10000)1/10000)1/10000)的的的的同同同同相相相相(要要要要求求求求相相相相移移移移为为为为零零零零)放放放放大大大大器器器器。因因因因此此此此“驱驱驱驱动动动动电电电电缆缆缆缆”技技技技术术术术对对对对1:11:1放放放放大大大大器器器器要要要要求求求求很很很很高高高高，电电电电路路路路复复复复杂杂杂杂，但但但但能能能能保保保保证证证证电电电电容容容容式式式式传传传传感感感感器器器器的的的的电电电电容值小于容值小于容值小于容值小于1pF1pF1pF1pF时，也能正常工作。时，也能正常工作。时，也能正常工作。时，也能正常工作。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 将将电电容容式式传传感感器器和和所所采采用用的的转转换换电电路路、传传输输电电缆缆等等用用同同一一个个屏屏蔽蔽壳壳屏屏蔽蔽起起来来，正正确确选选取取接接地地点点可可减减小小寄寄生生电电容容的的影影响响和和防防止外界的干扰。止外界的干扰。（4）整体屏蔽法）整体屏蔽法第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件C C C C1 1 1 1和和和和C C C C2 2 2 2构构构构成成成成差差差差动动动动电电电电容容容容传传传传感感感感器器器器，与与与与平平平平衡衡衡衡电电电电阻阻阻阻Z Z Z Z1 1 1 1和和和和Z Z Z Z2 2 2 2组组组组成成成成测量电桥，测量电桥，测量电桥，测量电桥，CpCpCpCp1 1 1 1和和和和CpCpCpCp2 2 2 2为寄生电容为寄生电容为寄生电容为寄生电容 。交流电桥的整体屏蔽交流电桥的整体屏蔽交流电桥的整体屏蔽交流电桥的整体屏蔽第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽层层层层接接接接地地地地点点点点选选选选择择择择在在在在两两两两平平平平衡衡衡衡电电电电阻阻阻阻阻阻阻阻抗抗抗抗臂臂臂臂Z Z Z Z1 1 1 1和和和和Z Z Z Z2 2 2 2中中中中间间间间，使使使使电电电电缆缆缆缆芯芯芯芯线线线线与与与与其其其其屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽层层层层之之之之间间间间的的的的寄寄寄寄生生生生电电电电容容容容CpCpCpCp1 1 1 1和和和和CpCpCpCp2 2 2 2分分分分别别别别与与与与Z Z Z Z1 1 1 1和和和和Z Z Z Z2 2 2 2相相相相并并并并联联联联。如如如如果果果果Z Z Z Z1 1 1 1和和和和Z Z Z Z2 2 2 2比比比比CpCpCpCp1 1 1 1和和和和CpCpCpCp2 2 2 2的的的的容容容容抗抗抗抗小小小小得得得得多多多多，则则则则寄寄寄寄生生生生电电电电容容容容CpCpCpCp1 1 1 1和和和和CpCpCpCp2 2 2 2对对对对电电电电桥桥桥桥平平平平衡状态的影响就很小。衡状态的影响就很小。衡状态的影响就很小。衡状态的影响就很小。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件交流电桥的整体屏蔽交流电桥的整体屏蔽交流电桥的整体屏蔽交流电桥的整体屏蔽电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位精确测量位精确测量位精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量移、厚度、角度、振动等物理量移、厚度、角度、振动等物理量移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于，还应用于，还应用于，还应用于测量力、压测量力、压测量力、压测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数力、差压、流量、成分、液位等参数力、差压、流量、成分、液位等参数力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控，在自动检测与控，在自动检测与控，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。制系统中也常常用来作为位置信号发生器。制系统中也常常用来作为位置信号发生器。制系统中也常常用来作为位置信号发生器。第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 电容式差压传感器电容式差压传感器电容式差压传感器电容式差压传感器差动型差动型差动型差动型凹玻璃圆片凹玻璃圆片凹玻璃圆片凹玻璃圆片弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片(动电极动电极动电极动电极)固定电极固定电极固定电极固定电极P例例例例1 1 1 1 电容式压差传感器电容式压差传感器电容式压差传感器电容式压差传感器P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片(动电极动电极动电极动电极)固定电极固定电极固定电极固定电极电容式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器单只变间隙型单只变间隙型单只变间隙型单只变间隙型第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件例例例例2 2 2 2 电容式称重传感器电容式称重传感器电容式称重传感器电容式称重传感器 电容式称重传感器电容式称重传感器第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件 电容式称重传感器电容式称重传感器 电容式称重传感器电容式称重传感器F在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果因而输出反映的结果因而输出反映的结果因而输出反映的结果是平均作用力的变化，是平均作用力的变化，是平均作用力的变化，是平均作用力的变化，测量误差大大减小测量误差大大减小测量误差大大减小测量误差大大减小（误差平均效应）（误差平均效应）（误差平均效应）（误差平均效应）第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件例例例例3 3 3 3 电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件例例例例4 4 4 4 电容式料位和液位传感器电容式料位和液位传感器电容式料位和液位传感器电容式料位和液位传感器测定电极安装在金属储罐测定电极安装在金属储罐测定电极安装在金属储罐测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测的顶部，储罐的罐壁和测的顶部，储罐的罐壁和测的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电定电极之间形成了一个电定电极之间形成了一个电定电极之间形成了一个电容器。容器。容器。容器。电容式料位传感器电容式料位传感器电容式料位传感器电容式料位传感器第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件例例例例4.4.电容式键盘电容式键盘电容式键盘电容式键盘常规的键盘有常规的键盘有常规的键盘有常规的键盘有机械按键和电容按键机械按键和电容按键机械按键和电容按键机械按键和电容按键两种。两种。两种。两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。的，磨损率极小。的，磨损率极小。的，磨损率极小。利用变极距型电容传感器实现信息转换利用变极距型电容传感器实现信息转换利用变极距型电容传感器实现信息转换利用变极距型电容传感器实现信息转换第四节第四节 电容式检测元件电容式检测元件