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1、传感器与检测技术课传感器与检测技术课件第二章件第二章第1页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器 参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参数，即参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。电阻、电容或电感等。电参数电参数（电阻、电（电阻、电容、电感容、电感被测物理量被测物理量 传感器传感器三大无源元件三大无源元件第2页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器电阻：电阻：实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。有
2、关。式中：式中：称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。l 是导体的长度，是导体的长度，S 为导体的截面积。为导体的截面积。从上式可见，若导体的三个参数从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度电阻率、长度L L或截面积或截面积S)S)中的一中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。感器。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。例如，例如，若改变长度若改变长度L L，则可制成，则可制成电位计电位计；改变改变L L、
3、S S则可制成电阻则可制成电阻应变式应变式第3页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器电位计的结构原理与特性电位计的结构原理与特性 如果电阻丝直径（如果电阻丝直径（S)S)和材质和材质()一定时，则电阻值随导线一定时，则电阻值随导线长度长度L L而变化。根据这一原理制成电位计。而变化。根据这一原理制成电位计。电位计是一种常用的机电元件。通常由骨架、电阻元件（线圈）及电位计是一种常用的机电元件。通常由骨架、电阻元件（线圈）及电刷（滑动触点）等零件组成。电刷（滑动触点）等零件组成。线绕电位器线绕电位器第4页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器电位计
4、的结构原理与特性电位计的结构原理与特性按按电电位位计计的的结结构构形形式式可可分分为为：直直线线位位移移型型、角角位位移移型型和和非非线线形型。形型。按电位计的输入按电位计的输入/输出特性可分为：线性电位器、非线性电位器输出特性可分为：线性电位器、非线性电位器 图2-1 电位计的结构类型（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型第5页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器电位计的结构原理与特性电位计的结构原理与特性电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等优点：优点：电位计结构简单；电位计结构简单；
5、价格低廉；对环境条件要求不高；价格低廉；对环境条件要求不高；输出信号大，易于转换（一般不需要放大就可以直接作为输出）输出信号大，易于转换（一般不需要放大就可以直接作为输出）；性能稳定，并容易实现任意函数关系。；性能稳定，并容易实现任意函数关系。第6页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器电位计的结构原理与特性电位计的结构原理与特性电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等优点：优点：要求输入能量大（触点始终存在摩擦和损耗。由于有要求输入能量大（触点始终存在摩擦和损耗。由于有摩擦，就要求电位计有比较大的输入
6、功率，否则就会降低电位摩擦，就要求电位计有比较大的输入功率，否则就会降低电位计的性能）；由于电刷与电阻元件之间有摩擦，容易磨损，产计的性能）；由于电刷与电阻元件之间有摩擦，容易磨损，产生噪声干扰，因此可靠性不太好，灵敏度较低，分辨力有限，生噪声干扰，因此可靠性不太好，灵敏度较低，分辨力有限，精度不够高，精度不够高，动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量。动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量。第7页，本讲稿共87页第8页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器（1 1）线性电位计的空载特性）线性电位计的空载特性线性电位计其单位长度（
7、或转角）的电阻值是常数。线性电位计其单位长度（或转角）的电阻值是常数。（以直线电位计为例），如下图（以直线电位计为例），如下图第9页，本讲稿共87页电位计电阻长度为电位计电阻长度为l，总电阻为，总电阻为R,电刷位移电刷位移x,相应的电阻为相应的电阻为Rx,电源电电源电压压Ui,输出电压输出电压U0若若电位器为空载电位器为空载（RL=）时）时,即空载特性为即空载特性为:第10页，本讲稿共87页Ku电位计的电压灵敏度电位计的电压灵敏度(V/m)，当电位计结构及电源电压确定后，当电位计结构及电源电压确定后，Ku和和KR为常数，线为常数，线性电位计输出与电刷位移（或）转角呈线性关系。性电位计输出与电刷
8、位移（或）转角呈线性关系。电位计输出空载电压为:第11页，本讲稿共87页线绕电位计线绕电位计 线线绕绕电电位位计计电电阻阻元元件件由由康康铜铜丝丝、铂铂铱铱合合金金及及卡卡玛玛丝丝等等电电阻阻丝丝绕绕制制，因因而而能能承承受受较较高高的的温温度度，常常被被制制成成功功率率型型电电位位计计，其其额额定定功功率率范范围围一一般般为为0.250.2550 50 W W，阻阻值值范范围围为为100 100 100 100 kk。对于线绕电位计，对于线绕电位计，第12页，本讲稿共87页 对于线绕电位计，对于线绕电位计，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的，即使电刷在电阻元件上是
9、连续滑动的，它与导线的接触仍是即使电刷在电阻元件上是连续滑动的，它与导线的接触仍是以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开这一匝而与下一匝接触时这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值电阻突然增加一匝阻值,因此电阻因此电阻是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动而出现是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动而出现阶跃变化，电刷每移过一匝阶跃变化，电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次输出电压便阶跃一次,当电位计当电位计有有W W匝时，就会产生匝时，就会产生W W个电压阶梯个电压阶梯,。因此绕线电位计的电阻和电压输出空载
10、特性并不是一条理因此绕线电位计的电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性。如图所示想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性。如图所示线绕电位计线绕电位计第13页，本讲稿共87页局部剖面和阶梯特性局部剖面和阶梯特性 从左图中可见,在理想情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直线即是理论特性曲线,阶梯曲线围绕它上下跳动,从而带来一定误差,这就是阶梯误差。该误差是一种原理误差。它限制了线绕电位计的精度和分辨力。（如图所示）第14页，本讲稿共87页 线绕式电位计的阶梯误差和分辨率是由于其工作原理线绕式电位计的阶梯误差和分辨率是由于其工作原理的不完善而引起的，是一
11、种原理性误差的不完善而引起的，是一种原理性误差,它决定了线绕它决定了线绕式电位计所能达到的最高精度。式电位计所能达到的最高精度。在实际设计中在实际设计中,减少阶梯误差的主要方式就是增加匝数。减少阶梯误差的主要方式就是增加匝数。当骨架长度一定时，就要减小导线直径（小型电位计当骨架长度一定时，就要减小导线直径（小型电位计通常选通常选0.5mm或更细的导线）或更细的导线）；反之当导线直径一定；反之当导线直径一定时，就要增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器时，就要增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。分辨率与阶梯误差有关，当骨架长度一定时，阶梯误分辨率与阶梯误差有关，当骨架长度一定时，阶梯误差由线绕电位
12、计的导线直径决定。线径越小，匝数越差由线绕电位计的导线直径决定。线径越小，匝数越多，阶梯误差越小，分辨率越高。反之亦然。多，阶梯误差越小，分辨率越高。反之亦然。第15页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器（2 2）非线性电位计的空载特性）非线性电位计的空载特性非非线线性性电电位位计计的的输输出出电电压压（或或电电阻阻）与与电电刷刷位位移移之之间间具具有有非非线线性性函函数数关关系系，即即电电位位计计可可以以将将位位移移或或转转角角变变换换成成与与之之有某种函数关系的电阻或电压输出。有某种函数关系的电阻或电压输出。非线性电位计的结
13、构形式有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等。第16页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器（2 2）非线性电位计的空载特性）非线性电位计的空载特性变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数、S、t不变时不变时,只改变骨架宽度只改变骨架宽度b或高度或高度h来实现非线性函数来实现非线性函数关系关系我们以只改变高度我们以只改变高度h的变骨架高度式非线性线绕电位器的变骨架高度式非线性线绕电位器为例为例,则保持则保持、S、t、b 不变。不变。当电位计在空载时，要求输出电阻当电位计在空载时，
14、要求输出电阻R为电刷位移为电刷位移x的某的某种函数种函数f(x)，则需求出骨架高度，则需求出骨架高度h随随x的变化规律。的变化规律。第17页，本讲稿共87页在在上上图图所所示示曲曲线线上上任任取取一一小小段段,则则可可视视为为直直线线,当当电电刷刷移移动动微微小小位位移移为为dxdx时时，引引起起相相应的电阻变化就是应的电阻变化就是dR,dR,则则式中式中 bb骨架宽度（骨架宽度（m);Sm);S导线的导电截面积导线的导电截面积 t t 绕线节距，即相邻两导线间距离（绕线节距，即相邻两导线间距离（m)m)导线电阻率（导线电阻率（.m);I.m);I流过电位计的电流（流过电位计的电流（A)A)U
15、 U0_ 0_ 电位计输出电压（电位计输出电压（V)V)第18页，本讲稿共87页由由于于S S、t t、b b、I I均均为为常常数数，而而dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx都都是是x x的的函函数数，所所以以骨骨架架高高度度h h是是电电刷刷位位移移x x的的函函数数，且且与与dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx有关。有关。电阻灵敏度电压灵敏度由于非线性电位计输出电压（或）电阻与电刷位移之间是非线性函数关系，因此空载特性是一条曲线。其电压、电阻灵敏度与电刷位移x有关，由于骨架高度是变化的,因而阶梯特性的阶梯也是变化的,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处,故阶梯误
16、差发生在特性曲线斜率最高处。第19页，本讲稿共87页1、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的（、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的（）和分辨力：和分辨力：精度精度第20页，本讲稿共87页2、某线绕式线性电位计的骨架直径、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm，总长度总长度L0=100mm，导线直径，导线直径d=0.1mm,电阻率电阻率=0.6*10=0.6*10（-6-6）.m；总匝数匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏试计算该电位计的空载电阻灵敏度度KR(2010）第21页，本讲稿共87页2、某线绕式线性电位计的骨架直径、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm，总
17、长度总长度L0=100mm，导线直径，导线直径d=0.1mm,电阻率电阻率=0.6*10=0.6*10（-6-6）.m；总匝数匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏试计算该电位计的空载电阻灵敏度度KR(2010）第22页，本讲稿共87页3 3、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线（、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线（）的最大处：（）的最大处：（20102010）斜率斜率第23页，本讲稿共87页4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为总电阻为R=20，输入入电压Ui=24V,试求：（1）
18、电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度KU;（2）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻Rx和电位计输出的空载电压U0第24页，本讲稿共87页4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为总电阻为R=20，输入入电压Ui=24V,试求：（1）电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度KU;第25页，本讲稿共87页4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为总电阻为R=20，输入入电压Ui=24V,试求：（2）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻Rx和电位计输出的空
19、载电压U0第26页，本讲稿共87页5 5、下列被测物理量中，适合使用电位器式传感器进行测量、下列被测物理量中，适合使用电位器式传感器进行测量的是的是 A.A.位移位移 B.B.温度温度 C.C.湿度湿度 D.D.扭矩扭矩第27页，本讲稿共87页6、什么是参量型的位移传感器（密押二）、什么是参量型的位移传感器（密押二）将被测物理量的变化转化为电参数如电阻，电容，电感等将被测物理量的变化转化为电参数如电阻，电容，电感等的传感器。的传感器。第28页，本讲稿共87页第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器二、电阻应变式位移传感器二、电阻应变式位移传感器应变式传感器的核心元件是应变式传感器的核心元
20、件是应变式传感器的核心元件是应变式传感器的核心元件是电阻应变片电阻应变片电阻应变片电阻应变片，它可将试件上的，它可将试件上的，它可将试件上的，它可将试件上的应力应力应力应力变化转换成变化转换成变化转换成变化转换成电阻变化电阻变化电阻变化电阻变化。应变效应应变效应应变效应应变效应 导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的械变形导致其阻值变化
21、，这种因形变而使阻值发生变化的械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为现象称为现象称为现象称为应变效应应变效应应变效应应变效应。第29页，本讲稿共87页 取一根取一根取一根取一根细电细电阻阻阻阻丝丝，两端接上一台，两端接上一台，两端接上一台，两端接上一台3 3 3 3位半位数字式欧姆表位半位数字式欧姆表位半位数字式欧姆表位半位数字式欧姆表（分辨率（分辨率（分辨率（分辨率为为1/20001/20001/20001/2000），），），），记记下其初始阻下其初始阻下其初始阻下其初始阻值值（图图中中中中为为10.0110.0110.0110.01 ）。实验实验实验实验演示演示演示演
22、示 ：当当当当我我我我们们们们用用用用力力力力将将将将该该该该电电电电阻阻阻阻丝丝丝丝拉拉拉拉长长长长时时时时，会会会会发发发发现现现现其其其其阻阻阻阻值值值值略略略略有有有有增增增增加加加加（图图图图中中中中增增增增加加加加到到到到为为为为10.0510.0510.0510.05 ）。测测测测量量量量应应应应力力力力、应应应应变变变变、力力力力的的的的传传传传感感感感器器器器就是利用类似的原理制作的。就是利用类似的原理制作的。就是利用类似的原理制作的。就是利用类似的原理制作的。第30页，本讲稿共87页应变式传感器广泛应用于各种电子称第31页，本讲稿共87页 动态电子秤动态电子秤应变式传感器广
23、泛应用于各种电子称第32页，本讲稿共87页机械秤包装机吊秤应变式传感器广泛应用于各种电子称第33页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器 电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和仪器，具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。在国内研究所，高等院校、工厂和军用
24、操作方便等优点。在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。缺少的测试仪器。第34页，本讲稿共87页ZNXsensor超精密电容位移传感器ZCS1100精密电容位移传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器第35页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器应用领域：应用领域：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。远镜镜片微调，精密微位移测量等。第36页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式
25、位移传感器电容式位移传感器是利用电容式位移传感器是利用电容量的变化来测量线位电容量的变化来测量线位移或角位移的装置，移或角位移的装置，其基本工作原理如右图示：其基本工作原理如右图示：平板电容为平板电容为:S S 极板面积极板面积d 极板间距极板间距 0 0 真空介电常数真空介电常数 0=8.85410-12 F/m0=8.85410-12 F/m r r 极板介质的相对介电常数极板介质的相对介电常数=0 0 r r第37页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器等式右边的三个参数改变等式右边的三个参数改变等式右边的三个参数改变等式右边的三个参数改变任何一个都可以使电容值任何一个
26、都可以使电容值任何一个都可以使电容值任何一个都可以使电容值C C C C发生变化。这就是电容传发生变化。这就是电容传发生变化。这就是电容传发生变化。这就是电容传感器的基本工作原理。感器的基本工作原理。感器的基本工作原理。感器的基本工作原理。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板间距型变极板间距型变极板间距型变极板间距型变面积型变面积型变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型变介电常数型变介电常数型第38页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移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板间距型变极板间距型变极板间距型变极板间距型变面积型变面积型变面积型
27、变面积型变介电常数型变介电常数型变介电常数型变介电常数型变极距型电容位移传感器：具有较高的灵敏度、但电容变化与极变极距型电容位移传感器：具有较高的灵敏度、但电容变化与极距变化之间为非线性关系。距变化之间为非线性关系。变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：具有比较变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：具有比较好的线性，但灵敏度比较低。好的线性，但灵敏度比较低。第39页，本讲稿共87页电容式位移传感器的使用方式电容式位移传感器的使用方式电容式位移传感器的使用方式电容式位移传感器的使用方式封闭形式下使用封闭形式下使用开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（当被开放形式下使用，即利
28、用被测对象作为一个极板（当被测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质（当被测对象为绝缘体时）（当被测对象为绝缘体时）由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高频范围内工作。频范围内工作。电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造成电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造成测量误差。测
29、量误差。电容式位移传感器的特点电容式位移传感器的特点电容式位移传感器的特点电容式位移传感器的特点三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器第40页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器由式由式知，电容知，电容C与极板间距与极板间距成双曲线关系。成双曲线关系。设动极板间的初始极距为设动极板间的初始极距为设动极板间的初始极距为设动极板间的初始极距为0 0 0 0则初始电容量：则初始电容量：则初始电容量：则初始电容量：当动极板上移，极距当动极板上移，极距当动极板上移，极距当动极板上移，极距0 0 0 0减小减小减小减小，传感器的电容
30、量，传感器的电容量，传感器的电容量，传感器的电容量第41页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器电容增量：电容增量：电容增量：电容增量：(2-5)(2-5)(2-6)(2-6)第42页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器(2-6)(2-6)略去高次非线性项，得略去高次非线性项，得略去高次非线性项，得略去高次非线性项，得电容电容电容电容的相对变化量为的相对变化量为的相对变化量为的相对变化量为：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：传感器的灵
31、敏度为：非线性误差与非线性误差与非线性误差与非线性误差与/0 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：第43页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器只能用于小位移测量只能用于小位移测量，只有在小位移测量时，其灵敏度才为常数（由，只有在小位移测量时，其灵敏度才为常数（由上述分析可知，只有在上述分析可知，只有在/0 0 11的情况，电容随极板间距离的变的情况，电容随极板间距离的变化才近似成线性关系）化才近似成线性关系）其灵敏度与初始极距其灵敏度与初始极距其灵敏度与初始极距其灵敏度与初始极
32、距 0 0的平方成反比，故的平方成反比，故的平方成反比，故的平方成反比，故可通过减小初始极距来要提可通过减小初始极距来要提可通过减小初始极距来要提可通过减小初始极距来要提高灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度。第44页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器但当但当但当但当 0 0 过小时，又容易引起击穿过小时，又容易引起击穿过小时，又容易引起击穿过小时，又容易引起击穿，或短路，或短路，或短路，或短路。同时加工精度要求也同时加工精度要求也同时加工精度要求也同时加工精度要求也高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，放置云母、塑料膜
33、等高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，放置云母、塑料膜等高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，放置云母、塑料膜等高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，放置云母、塑料膜等介电常数高的物质作为介质。介电常数高的物质作为介质。介电常数高的物质作为介质。介电常数高的物质作为介质。存在非线性误差存在非线性误差存在非线性误差存在非线性误差，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，改善线性度，可采用差动式结构。性，改善线性度，可采用差动式结构。性，改善线性度，可采用差
34、动式结构。性，改善线性度，可采用差动式结构。第45页，本讲稿共87页为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。下静片下静片上静片上静片动动片片双板式差动电容器双板式差动电容器两定板和中间一块动板组成差动结构两定板和中间一块动板组成差动结构第46页，本讲稿共87页动极板动极板动极板动极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板定极板C1 1C2 2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47页，本讲稿共87页把电容位移传感器连接成差动形式，当中间活动极板移动
35、把电容位移传感器连接成差动形式，当中间活动极板移动把电容位移传感器连接成差动形式，当中间活动极板移动把电容位移传感器连接成差动形式，当中间活动极板移动时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者的时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者的时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者的时，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者的代数和。这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工作的线性代数和。这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工作的线性代数和。这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工作的线性代数和。这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工作的线性度也得到了改善。度
36、也得到了改善。度也得到了改善。度也得到了改善。双板式差动电容器双板式差动电容器第48页，本讲稿共87页 下静片下静片上静片上静片动动片片初始位置时，初始位置时，初始位置时，初始位置时，动极板上移时：动极板上移时：动极板上移时：动极板上移时：第49页，本讲稿共87页 下静片下静片上静片上静片动动片片双板式差动电容器双板式差动电容器第50页，本讲稿共87页第51页，本讲稿共87页非线性误差减小非线性误差减小非线性误差减小非线性误差减小非线性误差为：非线性误差为：非线性误差为：非线性误差为：下静片下静片上静片上静片动动片片双板式差动电容器双板式差动电容器第52页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三
37、、电容式位移传感器2.2.变极板面积型电容位移传感器变极板面积型电容位移传感器 变面积型电容位移传感器可用于变面积型电容位移传感器可用于线位移测量线位移测量，也可用于，也可用于角位移测角位移测量量。根据不同需要采用根据不同需要采用平板型极板平板型极板、圆筒型极板圆筒型极板或或锯齿型极板锯齿型极板这这类传感器输入类传感器输入/输出具有线性特性输出具有线性特性第53页，本讲稿共87页三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器2.2.变极板面积型电容位移传感器变极板面积型电容位移传感器 当有效覆盖从当有效覆盖从S0 变至变至 S，则，则可见可见SS与与CC的变化呈线的变化呈线性关系，故其灵敏度为常性关
38、系，故其灵敏度为常数：数：可见，可见，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系与输入呈线形关系与输入呈线形关系与输入呈线形关系n 动极板移动时，两极板间的相对有效面积动极板移动时，两极板间的相对有效面积S S发生变化，引起电容发生变化，引起电容C C发生变化。发生变化。第54页，本讲稿共87页图中所示线位移式传感器：图中所示线位移式传感器：则有：可见，电容相对变化量与水平位移是线性关系可见，电容相对变化量与水平位移是线性关系可见，电容相对变化量与水平位移是线性
39、关系可见，电容相对变化量与水平位移是线性关系 （1 1 1 1）线位移型）线位移型）线位移型）线位移型当动极板移动当动极板移动当动极板移动当动极板移动L L L L后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为其值为其值为其值为灵敏度为：灵敏度为：第55页，本讲稿共87页定片定片定片定片动片动片动片动片（b b b b）角位移式）角位移式）角位移式）角位移式（2 2 2 2）角位移型）角位移型）角位移型）角位移型电容的相对变化量为：电容的相对变化量为：当动片有一角位移
40、时，两极板间覆盖面积当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为容值为容值为容值为 第56页，本讲稿共87页初始电容为初始电容为初始电容为初始电容为C C C C0 0 0 0（当位移（当位移（当位移（当位移x=0 x=0 x=0 x=0时，动极板时，动极板时，动极板时，动极板1 1 1 1和定极板和定极板和定极板和定极板2 2 2 2完全相互覆盖时）：完全相互覆盖时
41、）：完全相互覆盖时）：完全相互覆盖时）：（3 3 3 3）同心圆筒形电容位移传感器）同心圆筒形电容位移传感器）同心圆筒形电容位移传感器）同心圆筒形电容位移传感器RBLxRA第57页，本讲稿共87页当动极板移动当动极板移动当动极板移动当动极板移动x x x x后，其电容为：后，其电容为：后，其电容为：后，其电容为：（3 3 3 3）同心圆筒形电容位移传感器）同心圆筒形电容位移传感器）同心圆筒形电容位移传感器）同心圆筒形电容位移传感器RBLxRA第58页，本讲稿共87页3.3.变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器测量液面高度的电容式液位计测量液面高度的电容式液位计第59页，本讲稿共87
42、页3.3.变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器测量液面高度的电容式液位计测量液面高度的电容式液位计有液体介质后传感器的电容值为：有液体介质后传感器的电容值为：第60页，本讲稿共87页3.3.变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器测量液面高度的电容式液位计测量液面高度的电容式液位计 可见，电容式液位计具有可见，电容式液位计具有线性输出特性。在用于位移或线性输出特性。在用于位移或尺寸测量的变介质电容位移传尺寸测量的变介质电容位移传感器，一般都具有较好的线性感器，一般都具有较好的线性关系。故这种传感器可以测量关系。故这种传感器可以测量液位、料位的高度。液位、料位的高度。第61页
43、，本讲稿共87页3.3.变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器电容测厚仪电容测厚仪设极板形状为长方形，面积为设极板形状为长方形，面积为设极板形状为长方形，面积为设极板形状为长方形，面积为S,S,S,S,两极板间的距离为两极板间的距离为两极板间的距离为两极板间的距离为d d d d；被测物的厚度为；被测物的厚度为；被测物的厚度为；被测物的厚度为d 0 0 真空介电常数真空介电常数真空介电常数真空介电常数 r r 介质的相对介电常数介质的相对介电常数介质的相对介电常数介质的相对介电常数 介质的介电常数，介质的介电常数，介质的介电常数，介质的介电常数，=r r 0 0在空气中在空气中在空气
44、中在空气中 r r=1=1厚度传感器的等效电路厚度传感器的等效电路厚度传感器的等效电路厚度传感器的等效电路CC1C2C3第62页，本讲稿共87页C1C3C2d电容电容C与介质厚度与介质厚度介电常数介电常数之间的关系是非线性的之间的关系是非线性的电容测厚仪电容测厚仪3.3.变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器第63页，本讲稿共87页容栅位移传感器是根据在间隙容栅位移传感器是根据在间隙容栅位移传感器是根据在间隙容栅位移传感器是根据在间隙和介电常数和介电常数和介电常数和介电常数一定的条件下，电一定的条件下，电一定的条件下，电一定的条件下，电容容容容C C C C的变化量的大小与耦合面积的
45、变化量的大小与耦合面积的变化量的大小与耦合面积的变化量的大小与耦合面积S S S S变化量的大小成正比，因此变化量的大小成正比，因此变化量的大小成正比，因此变化量的大小成正比，因此容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。一种新型传感器。一种新型传感器。一种新型传感器。容栅位移传感器可分为两类，即长容栅位移传感器和圆容栅角位移传容栅位移传感器可分为两类，即长容栅位移传感器和圆容栅角位移传容栅位移传感器可分为两类，即
46、长容栅位移传感器和圆容栅角位移传容栅位移传感器可分为两类，即长容栅位移传感器和圆容栅角位移传感器。感器。感器。感器。4.4.容栅式位移传感器容栅式位移传感器第64页，本讲稿共87页4.4.容栅式位移传感器容栅式位移传感器 见见见见P19P19P19P19 图2-13a,1是固定容栅，是固定容栅，2是可动容栅，是可动容栅，在在A、B面上分别印制（或刻划）一系列均匀分布并互相面上分别印制（或刻划）一系列均匀分布并互相绝缘的金属（如铜箔）。固定容栅与可动容栅栅极面相绝缘的金属（如铜箔）。固定容栅与可动容栅栅极面相对，中间留有间隙对，中间留有间隙，形成一对对电容。当可动容栅相，形成一对对电容。当可动容
47、栅相对固定容栅移动时每对电容面积发生变化，因而电对固定容栅移动时每对电容面积发生变化，因而电容值随之变化，可测出线位移或角位移。容值随之变化，可测出线位移或角位移。第65页，本讲稿共87页4.4.容栅式位移传感器容栅式位移传感器长容栅位移传感器长容栅位移传感器长容栅位移传感器长容栅位移传感器式中：式中：n为可动容栅的栅极数为可动容栅的栅极数 a、b分别为栅极的宽度和长度（分别为栅极的宽度和长度（m)在测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，则覆盖面积在测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，则覆盖面积发生变化，因此其电容量随之变化，所以根据所测电容量的变化发生变化，因此其电容量随之变化
48、，所以根据所测电容量的变化可知位移的变化量。可知位移的变化量。忽略电容边缘效应，长容栅的最大电容量为：忽略电容边缘效应，长容栅的最大电容量为：忽略电容边缘效应，长容栅的最大电容量为：忽略电容边缘效应，长容栅的最大电容量为：第66页，本讲稿共87页4.4.容栅式位移传感器容栅式位移传感器 圆容栅位移传感器圆容栅位移传感器圆容栅位移传感器圆容栅位移传感器式中：式中：R、r栅极外半径和内半径（栅极外半径和内半径（m）每条栅极所对应的圆心角（每条栅极所对应的圆心角（rad)动栅转动时使两栅之间的覆盖角由动栅转动时使两栅之间的覆盖角由变为变为x,电容电容C随之变化。随之变化。见见见见P19P19P19P
49、19 图图2-13b,片状圆容栅的两圆盘片状圆容栅的两圆盘1、2同轴安装，栅状成同轴安装，栅状成辐射状，可动容栅随被测对象一起转动。辐射状，可动容栅随被测对象一起转动。忽略电容边缘效应，圆容栅忽略电容边缘效应，圆容栅忽略电容边缘效应，圆容栅忽略电容边缘效应，圆容栅的最大电容量为：的最大电容量为：的最大电容量为：的最大电容量为：第67页，本讲稿共87页 容栅式传感器它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容栅式传感器它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，分辨力高，提高了抗干扰能力、提高了测量精度容带来的平均效应，分辨力高，提高了抗干扰能力、提高了测量精度(可达可达5u
50、m)5um)、极大地扩展了量程、极大地扩展了量程(可达可达1m)1m)，适宜进行大位移测量，对，适宜进行大位移测量，对刻划精度和安装精度要求可有所降低，是一种很有发展前途的传刻划精度和安装精度要求可有所降低，是一种很有发展前途的传感器。感器。容栅式传感器的优点：容栅式传感器的优点：4.4.容栅式位移传感器容栅式位移传感器第68页，本讲稿共87页5 5、电容位移传感器的绝缘和屏蔽、电容位移传感器的绝缘和屏蔽 传感器的初始电容量很小，而极板与周围物体、各种仪器、传感器的初始电容量很小，而极板与周围物体、各种仪器、电缆以至人体都会发生电容联系，产生附加电容，称为寄生电电缆以至人体都会发生电容联系，产