第3章傳統(tǒng)傳感元件及檢測技術1電容式

1、航空檢測技術3.4.1航空檢測技術3.4.2傳統(tǒng)式傳感器傳統(tǒng)式傳感器電阻應變式電阻應變式電容式電容式磁電感應式磁電感應式磁敏式磁敏式壓電式壓電式航空檢測技術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 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路3.4.3 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用3.4 電容式傳感及檢測技術電容式傳感及檢測技術航空檢測技術3.4.41. 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為式中式中

2、電容器極板間介質的介電常數(shù)，電容器極板間介質的介電常數(shù)， (其中其中 為為真空的介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)， =8.851012F/m， 為極板間介質的相對為極板間介質的相對介電常數(shù)介電常數(shù))；A兩平行板所覆蓋的面積；兩平行板所覆蓋的面積；l兩平行板之間的距離。兩平行板之間的距離。or oor3.4.1 基本工作原理及分類基本工作原理及分類lACr 0 航空檢測技術3.4.5電容式傳感器可分為電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種介電常數(shù)型三種。航空檢測技術3.4.6（1）變極距型電容式傳感器）變極距型電容式傳感器)l/l(Cl/ll/lCllACrx000

3、200001112 0l 動極板 定極板 ll lCC 極距變化型電容式傳感器結構原理 條件：測量范圍條件：測量范圍ll0航空檢測技術3.4.7 靈敏度與極距靈敏度與極距l(xiāng)成反比，極距越小，靈敏度越高。成反比，極距越小，靈敏度越高。20lAdldCSr 靈敏度靈敏度實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件線性工作范圍和克服外界條件( (如電源電壓、環(huán)如電源電壓、環(huán)境溫度等境溫度等) )的變化對測量精度的影響，常常采用的變化對測量精度的影響，常常采用差動型電容式傳感器差動型電容式傳感器。航空檢測技術3.4.8 定極板 定極板 動極

4、板 2C 1C 2l 1l 差動式電容傳感器結構原理圖 中間一塊極板為動極板，兩邊為定極板。當動極板移中間一塊極板為動極板，兩邊為定極板。當動極板移動動l 距離，距離，l1=l0 - l ， l2=l0+ l 。對應的電容量。對應的電容量C1、C2的變化通過差動電橋疊加使輸出和靈敏度均提的變化通過差動電橋疊加使輸出和靈敏度均提高一倍，非線性得到改善，且工作穩(wěn)定性好。高一倍，非線性得到改善，且工作穩(wěn)定性好。航空檢測技術3.4.9002000000021212l/lC)l/l(l/lCllAllACCCrr 差差動動型型輸輸出出量量條件：測量范圍條件：測量范圍ll0（非差動型輸出量）0000020

5、000/)/1 (/1/12llCCllCllllCllACrx航空檢測技術3.4.1020lAdldCSr lACr 0 變極板間距離電容式傳感器的優(yōu)點是靈敏變極板間距離電容式傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，可以進行非接觸式測量，并且對被測度高，可以進行非接觸式測量，并且對被測量影響較小，所以適宜于對微位移的測量。量影響較小，所以適宜于對微位移的測量。它的缺點是具有非線性特性，所以測量范圍它的缺點是具有非線性特性，所以測量范圍受到一定限制，另外傳感器的寄生電容效應受到一定限制，另外傳感器的寄生電容效應對測量精度也有一定的影響。對測量精度也有一定的影響。結論：結論：航空檢測技術3.4.11線位移型電容

6、式傳感器線位移型電容式傳感器平面線位移平面線位移圓柱線位移圓柱線位移平面線位移型傳感器如平面線位移型傳感器如圖，電容量為：圖，電容量為：（2）面積變化型電容傳感器）面積變化型電容傳感器l)xa(bCrx 0 b x a l x A 航空檢測技術3.4.12由由結論結論:面積變化型電容面積變化型電容傳感器電容量傳感器電容量C與水平位移呈與水平位移呈線性關系。線性關系。靈敏度靈敏度:lbdxdCSrx 0l)xa(bCrx 0航空檢測技術3.4.132)電容式圓柱形傳感器電容式圓柱形傳感器(面積變化型面積變化型) D d l x 圖 3.7(b) 位移圓柱型電容傳感器 )/ln()(20dDxlC

7、r)d/Dln(dxdCSr 02 靈靈敏敏度度電容量電容量C與軸向位移呈線性關系與軸向位移呈線性關系航空檢測技術3.4.14)22(rA2r2AC00常數(shù)2r2ddCS0)(bxA bxAC00常數(shù)bdxdCS0)d/Dln(x2C0常數(shù))d/Dln(2dxdCS0航空檢測技術3.4.15（3）變介質型電容傳感器）變介質型電容傳感器 2l 1l 固體介質 極板 極板 空氣介質 變介質電容傳感器 rrrrllAAlAlC21002011 在固定兩極板之間加入空氣以外的其他被測固在固定兩極板之間加入空氣以外的其他被測固體介質，當介質變化時，電容量也隨之變化。忽體介質，當介質變化時，電容量也隨之變

8、化。忽略邊界效應，假設空氣相對介電常數(shù)為略邊界效應，假設空氣相對介電常數(shù)為 ，固體，固體介質相對介電常數(shù)為介質相對介電常數(shù)為 ，電容量為，電容量為r r 航空檢測技術3.4.16)(llAl)ll (ACrrrrr 1120220假設兩極板間距離為l ，則 l1=ll2 ，電容量為： 當極板面積和極板間距一定時，電容量大當極板面積和極板間距一定時，電容量大小和被測固體材料的厚度和被測固體材料的介小和被測固體材料的厚度和被測固體材料的介電常數(shù)有關。如果已知材料的介電常數(shù)，可以電常數(shù)有關。如果已知材料的介電常數(shù)，可以制成測厚儀，而已知材料的厚度，可制成介電制成測厚儀，而已知材料的厚度，可制成介電常

9、數(shù)的測量儀。常數(shù)的測量儀。航空檢測技術3.4.173.4.2 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路 1. 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路航空檢測技術3.4.18 由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該選擇低于諧振頻率，否則電容傳工作頻率應該選擇低于諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。傳感元件的有效電容感器不能正常工作。傳感元

10、件的有效電容Ce可可由下式求得由下式求得(為了計算方便，略去為了計算方便，略去Rs和和Rp)：LCCCe21 航空檢測技術3.4.19ee22e2222211jjj11(1)(1)LCCCCLCCLC CCCLCLCLC表明電容式傳感器的實際相對變化量與傳感器的固有電感表明電容式傳感器的實際相對變化量與傳感器的固有電感L和角和角頻率頻率有關。因此，在實際應用時必須與標定的條件相同。有關。因此，在實際應用時必須與標定的條件相同。e2e/1CCCCLC航空檢測技術3.4.201）調頻測量電路）調頻測量電路圖中調頻振蕩器的振蕩頻率為圖中調頻振蕩器的振蕩頻率為調頻式測量電路原理框圖調頻式測量電路原理框

11、圖 2. 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路12fLC式中式中 L振蕩回路的電感；振蕩回路的電感； C振蕩回路的總電容，振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，其中，其中C1為振蕩回路固有電容，為振蕩回路固有電容，C2為傳感器引線分布電容，為傳感器引線分布電容， Cx=C0C為傳感器的電容。為傳感器的電容。航空檢測技術3.4.21當被測信號為當被測信號為0時，時，C=0，則，則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個固有頻率，所以振蕩器有一個固有頻率f0，其表示式為，其表示式為12fLC012012()fCCC L航空檢測技術3.4.2212fLC當被測信號不為當被測信號不為0時，時，

12、C0，振蕩器頻率有相，振蕩器頻率有相應變化，此時頻率為應變化，此時頻率為優(yōu)點：優(yōu)點：調頻電容傳感器測量電路具有抗干擾能調頻電容傳感器測量電路具有抗干擾能力強、靈敏度高等，可以測量高至力強、靈敏度高等，可以測量高至0.01 m級位移級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通信，可以發(fā)送、接收，以達到遙測并與計算機通信，可以發(fā)送、接收，以達到遙測遙控的目的。遙控的目的。缺點缺點：寄生電容對測量精度的影響較大。：寄生電容對測量精度的影響較大。ffLCCCCf002121航空檢測技術3.4.232) 運算放大器式測量電路運算放大器式測量電路

13、運算放大器的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗運算放大器的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗Zi很高，很高，輸出電阻小，所以運算放大器作為電容式傳感器的輸出電阻小，所以運算放大器作為電容式傳感器的測量電路是比較理想的。測量電路是比較理想的。i.UCxCU 0由運算放大器工作原理可得由運算放大器工作原理可得運算放大器式電路原理圖運算放大器式電路原理圖航空檢測技術3.4.24如果傳感器采用平板電容，則如果傳感器采用平板電容，則Cx= A /l，代入上式，則，代入上式，則運算放大器的輸出電壓與極板間距離運算放大器的輸出電壓與極板間距離l成線性關系。成線性關系。式中，式中，“”號表示輸出電壓的相位與電源電壓反號表示輸出電壓的

14、相位與電源電壓反相。相。 運算放大器式電路解決了單個變極板間距離式電運算放大器式電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求容傳感器的非線性問題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容定電容C值穩(wěn)定。值穩(wěn)定。lACUUi. 0航空檢測技術3.4.253) 二極管雙二極管雙T形交流電橋測量電路形交流電橋測量電路e是幅值為是幅值為U的對稱方波高頻電源，的對稱方波高頻電源，VD1、VD2為參為參數(shù)和特性完全相同的兩只二極管，數(shù)和特性完全相同的兩只二極管，R1=R2=R為參數(shù)和為參數(shù)和特性完全相

15、同的固定電阻，特性完全相同的固定電阻，C1、C2為傳感器的兩個為傳感器的兩個差動電容。差動電容。e航空檢測技術3.4.26 二極管雙二極管雙T形交流電橋形交流電橋工作原理：工作原理：e航空檢測技術3.4.27若傳感器輸入信號不為若傳感器輸入信號不為0，則，則C1C2，I1I2，此時在一，此時在一個周期內通過個周期內通過RL上的平均電流不為零，因此產生輸出上的平均電流不為零，因此產生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內的平均值為電壓，輸出電壓在一個周期內的平均值為oLL12L0LL122L1( )( )dT(2)()()TUI RItIttRR RRR Uf CCRR f電源頻率，電源頻率，U為電源電

16、壓。為電源電壓。當當RL已知，式中已知，式中 （常數(shù)），則上式可（常數(shù)），則上式可改寫為改寫為LL2L(2)()R RRRMRRo12()UUfM CC航空檢測技術3.4.28輸出輸出Uo不僅與電源電壓幅值不僅與電源電壓幅值U和頻率和頻率f有關，有關，而且與而且與T形網絡中的形網絡中的C1和和C2的差值有關。當電的差值有關。當電源電壓確定后，輸出電壓源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容是電容C1和和C2的函的函數(shù)。數(shù)。o12()UUfM CC電路靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，電路靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，故輸入電源要求穩(wěn)定。故輸入電源要求穩(wěn)定。U幅值較高，二極幅值較高，二極管管VD1、VD

17、2工作在線性區(qū)域時，測量的工作在線性區(qū)域時，測量的非線性誤差很小。非線性誤差很小。航空檢測技術3.4.29電路的輸出阻抗與電容電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關，無關，而僅與而僅與R1、R2及及RL有關，約為有關，約為1k 100k 。輸出信號的上升沿時。輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于間取決于負載電阻。對于1k 的負載的負載電阻上升時間為電阻上升時間為20 s左右，故可用左右，故可用來來測量高速的機械運動測量高速的機械運動。航空檢測技術3.4.30 隨著電容式傳感器應用問題的完善解決，它隨著電容式傳感器應用問題的完善解決，它的應用優(yōu)點十分明顯：的應用優(yōu)點十分明顯：(1)(1)分辨力極

18、高分辨力極高, ,能測量能測量0.010.01微米的絕對變化量和微米的絕對變化量和高達高達(C/C)=100%-200%(C/C)=100%-200%的相對變化量，因此的相對變化量，因此尤其適合微信息檢測；尤其適合微信息檢測；(2)(2)動極質量小，可無接觸測量；自身的功耗、動極質量小，可無接觸測量；自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度和好的動發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度和好的動態(tài)特性；態(tài)特性；（3 3）結構簡單）結構簡單, ,不含有機材料或磁性材料，對環(huán)不含有機材料或磁性材料，對環(huán)境境( (除高濕外除高濕外) )的適應性較強；的適應性較強；(4)(4)過載能力強。過載能力強。

19、3.4.3 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用航空檢測技術3.4.311. 電容式測厚傳感器原理電容式測厚傳感器原理 當被軋板材的厚度相對當被軋板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則于要求值發(fā)生變化時，則 C 發(fā)生變化。發(fā)生變化。 C增大，表示板增大，表示板材厚度材厚度l2變薄；變??；C減小，表示減小，表示板材厚度板材厚度l2變厚。變厚。 2l 1l 固體介質 極板 極板 空氣介質 電容傳感器測厚原理 )(llAl)ll (ACrrrrr 1120220航空檢測技術3.4.32 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶

20、材的上下兩側各厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構成了兩個電容器板與帶材就構成了兩個電容器C C1 1、C C2 2。把兩塊極板用。把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為極，其總電容為C C1 1 + + C C2 2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化。將引起電容量的變化。航空檢測技術3.4.33音 頻 信 號 發(fā) 生 器音 頻 放 大 器全 波 整 流 器差 動 放

21、 大 器C0C1C2RRCT 音頻信號發(fā)生器產生的音頻信號，接入變壓器音頻信號發(fā)生器產生的音頻信號，接入變壓器T的的原邊線圈，變壓器副邊的兩個線圈作為測量電橋的兩臂，原邊線圈，變壓器副邊的兩個線圈作為測量電橋的兩臂，電橋的另外兩橋臂由標準電容電橋的另外兩橋臂由標準電容C0和帶材與極板形成的被和帶材與極板形成的被測電容測電容Cx(Cx=C1+C2)組成。電橋的輸出電壓經放大器組成。電橋的輸出電壓經放大器放大后整流為直流，再經差動放大，即可用指示電表指放大后整流為直流，再經差動放大，即可用指示電表指示出帶材厚度的變化。示出帶材厚度的變化。航空檢測技術3.4.34 C的變化經過電橋調節(jié)后，由耦合電容

22、輸出的變化經過電橋調節(jié)后，由耦合電容輸出給運放進行放大，再經過整流濾波和差動放大后，給運放進行放大，再經過整流濾波和差動放大后，一一 方面由顯示儀表讀出板材厚度，一方面通過反方面由顯示儀表讀出板材厚度，一方面通過反饋回路將偏差信號送給壓力調節(jié)器，使板材厚度饋回路將偏差信號送給壓力調節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內。控制在規(guī)定范圍內。 壓 力 調 節(jié) 器 反 饋 回 路 交 流 激 勵 電 橋 運 放 顯 示 差 放 整 流 濾 波 xC 耦 合 電 容 電 容 測 厚 系 統(tǒng) 原 理 框 圖 航空檢測技術3.4.352. 數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計算機壓力傳感器數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計算機壓力傳感器靜壓靜壓 P

23、Si、動壓、動壓 Pd(Pt)、總溫、總溫 Tt和攻角和攻角 L電容式壓力傳感器：差動電容式和電容量式電容式壓力傳感器：差動電容式和電容量式（測量靜壓）（測量靜壓）1）差動電容式）差動電容式 圖中所示膜片為圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構成差動固定電極，構成差動電容器。電容器。航空檢測技術3.4.36 在兩隔離膜外的壓力在兩隔離膜外的壓力 P1=P2 時，彈性膜片與左時，彈性膜片與左右固定極板間距相同，初始間距相同，初始最大間右固定極板間距相同，初始間距相同，初始最大間距為距為 l0 ,電容電容 C1=C2=C0。 當當 ，即有

24、壓差作用，即有壓差作用，其作用通過隔離膜與硅油將壓差傳遞給彈性膜片，其作用通過隔離膜與硅油將壓差傳遞給彈性膜片，在壓差的作用下彈性膜片產生形變，相當于動電極在壓差的作用下彈性膜片產生形變，相當于動電極與固定電極間隙改變（與固定電極間隙改變（ ），由于），由于 很小，可以很小，可以認為認為 （式中（式中 k 為比例常數(shù)為比例常數(shù), 壓壓差差)21PP l l Pkl 21PPP CCllKC 001CCllKC 002航空檢測技術3.4.37PklPkllCCCC 001212CCllKC 001CCllKC 002k由電容器極板的面積和介電常數(shù)決定的常數(shù)由電容器極板的面積和介電常數(shù)決定的常數(shù)航

25、空檢測技術3.4.38壓力變送器壓力變送器1151系列系列電容式變送器電容式變送器外形圖外形圖航空檢測技術3.4.39各種電容式差壓各種電容式差壓變送器外形變送器外形 航空檢測技術3.4.402）電容量式壓力傳感器（）電容量式壓力傳感器（ 運算放大器式測量運算放大器式測量電路）電路）優(yōu)點：由于采用了閉環(huán)測量技術，遲滯性低、重復性高、穩(wěn)定優(yōu)點：由于采用了閉環(huán)測量技術，遲滯性低、重復性高、穩(wěn)定性高。性高。RRPoutUZZUZP，ZR被測可變電容被測可變電容CP和標準參考電容和標準參考電容CR阻抗阻抗UR參考電壓（激勵）參考電壓（激勵）航空檢測技術3.4.41大氣數(shù)據(jù)計算機大氣數(shù)據(jù)計算機A/D轉換

26、電路圖轉換電路圖 靜壓測量值靜壓測量值PS經過差動電容式和電容量式變換成電經過差動電容式和電容量式變換成電壓輸出經壓輸出經A/D轉換電路送至大氣數(shù)據(jù)計算機進行數(shù)據(jù)綜轉換電路送至大氣數(shù)據(jù)計算機進行數(shù)據(jù)綜合處理。合處理。航空檢測技術3.4.423. 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，質量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質量質量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質量塊在垂直方向產生大小正比于被測加速度的位移。此位移使塊在垂直方向產生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的

27、間隙一個增加，一個減小，從而使兩電容的間隙一個增加，一個減小，從而使C1、C2產生大小產生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快和主要特點是頻率響應快和量程范圍大，大多采用空量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質。氣或其他氣體作阻尼物質。航空檢測技術3.4.434.電容式物位傳感器電容式物位傳感器 電容式物位傳感器是利用被測介質面的變化引起電電容式物位傳感器是利用被測介質面的變化引起電容變化的一種變介質型電容傳感器。當被測液面高度發(fā)容變化的一種變介質型電容傳感器。當被測

28、液面高度發(fā)生變化時，兩同軸電極間的介電常數(shù)將隨之發(fā)生變化從生變化時，兩同軸電極間的介電常數(shù)將隨之發(fā)生變化從而引起電容量的變化。假設被測介質的介電常數(shù)為而引起電容量的變化。假設被測介質的介電常數(shù)為1 1，而液面以上部分介質的介電常數(shù)為而液面以上部分介質的介電常數(shù)為2 2，則其電容量為，則其電容量為H-H-傳感器插入液面的深度；傳感器插入液面的深度；L-L-兩電極板相互覆蓋部分的長度；兩電極板相互覆蓋部分的長度；D D，d-d-分別為外電極的內徑和內電極的外徑分別為外電極的內徑和內電極的外徑航空檢測技術3.4.44 兩種介質介電常數(shù)差別兩種介質介電常數(shù)差別(1 1-2 2) )越大、極徑越大、極徑D D與與d d相差相差( (即即極距極距) )愈小，傳感器靈敏度就愈高愈小，傳感器靈敏度就愈高. . 上述原理也可用于導電介質液位的測量。這時，傳感器極上述原理也可用于導電介質液位的測量。這時，傳感器極板必須與被測介質絕緣。板必須與被測介質絕緣。電容