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1、检测技术及传感器电阻检测技术及传感器电阻电容电容本讲稿第一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l检测元件的基本概念、分类方法检测元件的基本概念、分类方法l传感技术传感技术l自然规律自然规律守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则l基础效应基础效应l检测仪表的一般信号变换结构检测仪表的一般信号变换结构l简单变换简单变换、差动变换差动变换、参比变换参比变换、平衡变换反馈变换平衡变换反馈变换本讲稿第二页，共七十五页第第部分部分基础知识基础知识第二章检测元件第二章检测元件与检测技术与检测技术电阻型检测元件电阻型检测元件电容型检测元件电容型检

2、测元件本讲稿第三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l在传感器中，有一大类是通过在传感器中，有一大类是通过电阻参数变化来电阻参数变化来实现非电量测量实现非电量测量的目的。它们统称为的目的。它们统称为电阻式传电阻式传感器感器。l各种电阻材料，受被测量的作用，将产生电阻各种电阻材料，受被测量的作用，将产生电阻参数的变化。参数的变化。l位移、应变、压力、光、热等位移、应变、压力、光、热等l电阻式传感器电阻式传感器l电位计式、热电阻式、应变式、压阻式和光电式等电位计式、热电阻式、应变式、压阻式和光电式等本讲稿第四页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l

3、电阻式检测元件电阻式检测元件l电阻是介质阻挡电流流动能力的大小。电阻的单位电阻是介质阻挡电流流动能力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号是欧姆，用符号“”表示。表示。l电阻是一个线性元件。电阻是一个线性元件。通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻的电通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻的电流与电阻两端的电压成正比流与电阻两端的电压成正比 即它是符合欧姆即它是符合欧姆定律：定律：本讲稿第五页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻式检测元件电阻式检测元件l一段长为一段长为 l（m），截面积为），截面积为 A（mm2），电阻率），电阻率为为 （mm2 m-1）的导体（如

4、金属丝），其电阻的导体（如金属丝），其电阻为为l电阻式检测元件分类电阻式检测元件分类l变变 l 型型 位移位移l变变 型型 温度、成份等温度、成份等l变变(l,A,)型型 应变应变本讲稿第六页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l电位器电位器l线位移线位移l角位移角位移本讲稿第七页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l电位器电位器l当当 A 恒定时，恒定时，与与 l 为线性关系为线性关系l适合于较大位移的测量适合于较大位移的测量l应用应用l电力传输线的故障检测电力传输线的故障检测l电阻触

5、摸屏电阻触摸屏本讲稿第八页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l热电阻热电阻l纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件l作为测温用的热电阻应具有下列要求作为测温用的热电阻应具有下列要求电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度；电阻率高，元件尺寸可以小；电阻率高，元件尺寸可以小；电阻值随温度变化尽量是线性关系；电阻值随温度变化尽量是线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定；在测温范围内，物理、化学性能稳定；材料质纯、加工方便和价格便宜等。材料质纯、加工方便和价格便宜等。本

6、讲稿第九页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l热电阻热电阻l铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料本讲稿第十页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l热电阻热电阻l金属热电阻金属热电阻l半导体材料的电阻率也随温度变化而变化。用半导体半导体材料的电阻率也随温度变化而变化。用半导体材料制成的测温元件称为材料制成的测温元件称为“热敏电阻热敏电阻”。本讲稿第十一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l热电阻热电阻l标

7、称值标称值Pt100，0时电阻值为时电阻值为100Cu50，0时电阻值为时电阻值为50 Cu100，0时电阻值为时电阻值为100 l温度系数温度系数l响应时间响应时间一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒本讲稿第十二页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l1856 年，英国物理学家发现金属丝的电阻随它所受机年，英国物理学家发现金属丝的电阻随它所受机械变形（拉伸或压缩）的大小发生变化即电阻的械变形（拉伸或压缩）的大小发生变化即电阻的应变效应变效应应。2rl2(r-

8、dr)l+dlFF本讲稿第十三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应力（应力（stress）l连续体内部截面的一侧施于另一侧上单位面积的作用力。连续体内部截面的一侧施于另一侧上单位面积的作用力。l应力矢量沿它所作用的微元平面的法向投影称为法向应应力矢量沿它所作用的微元平面的法向投影称为法向应力或正应力。力或正应力。pFFN连续体连续体SFNS上所受的合力上所受的合力PN=FN /S本讲稿第十四页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材

9、料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应变（应变（strain）l连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。l三种最简单的应变三种最简单的应变线应变线应变即物体内任一点处单位长度的长度增加量。线应变又称即物体内任一点处单位长度的长度增加量。线应变又称为相对伸长；为相对伸长；角应变角应变体应变体应变本讲稿第十五页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应变（应变（strain）l连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。连续体在体内

10、应力作用下发生的形状和大小的相对变化。l三种最简单的应变三种最简单的应变线应变线应变角应变角应变即物体内任一点处两互相垂直方向的角度减小量。角应即物体内任一点处两互相垂直方向的角度减小量。角应变又称为切应变或剪切应变。变又称为切应变或剪切应变。体应变体应变本讲稿第十六页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应l应变（应变（strain）l连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。l三种最简单的应变三种最简单的应变线应变线应变角应变角应变体应变

11、体应变即物体内任一点处单位体积的体积增加量；即物体内任一点处单位体积的体积增加量；本讲稿第十七页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝的应变电阻效应金属丝的应变电阻效应l当它受到轴向力当它受到轴向力 F 拉伸或压缩时，其拉伸或压缩时，其 A、l、均发生变均发生变化，导体的电阻也随之发生变化化，导体的电阻也随之发生变化令令 x=dl/l 导体轴向导体轴向应变，应变，y=dr/r 导体导体径向应变。径向应变。2rl2(r-dr)l+dlFF本讲稿第十八页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测

12、元件l金属丝的应变电阻效应金属丝的应变电阻效应l由材料力学知道，在金属丝弹性范围内，沿其长度由材料力学知道，在金属丝弹性范围内，沿其长度方向拉伸时，轴向应力方向拉伸时，轴向应力 x 与径向应力与径向应力 y 之间存在关系之间存在关系 y=x l勃底特兹明（勃底特兹明（）通过试验研究发现，金属材）通过试验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有关系料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有关系d/=CdV/V l金属材料电阻率的相对变化与应力的关系金属材料电阻率的相对变化与应力的关系本讲稿第十九页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测

13、元件l金属丝的应变电阻效应金属丝的应变电阻效应l金属材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就是金属材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就是金属材料的应变效应。金属材料的应变效应。lKm 称为金属材料的应变灵敏度系数称为金属材料的应变灵敏度系数(简称灵敏系数简称灵敏系数)l金属丝材料的应变电阻效应以尺寸变化为主，一般金属丝材料的应变电阻效应以尺寸变化为主，一般 Km=1.84.8本讲稿第二十页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂l敏感栅通

14、常是由轴向纵栅（检测应变方向）敏感栅通常是由轴向纵栅（检测应变方向）和圆弧横栅两部分组成。和圆弧横栅两部分组成。盖片盖片敏感栅金属丝敏感栅金属丝基底基底引线引线本讲稿第二十一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂本讲稿第二十二页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l横向效应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 H纵栅 l0横栅 r横栅 r y 横向应变横向

15、应变 y x x轴向应变轴向应变 x x y yr y本讲稿第二十三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l横向效应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 H应变片承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中，应变片承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中，即轴向（拉伸）和横向（收缩），其纵栅和横栅各自即轴向（拉伸）和横向（收缩），其纵栅和横栅各自主要感受横向应变和轴向应变，从而引起应变片总电主要感受横向应变和轴向应变，从而引起应变片总电阻的变化。阻的变化。本讲稿第二十四页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技

16、术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l横向效应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 H在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消轴向应变的作用。应变片即感受轴向应变，又同时受横轴向应变的作用。应变片即感受轴向应变，又同时受横向应变影响使灵敏系数及相对电阻比都减少的现象，称向应变影响使灵敏系数及相对电阻比都减少的现象，称为横向效应。为横向效应。l =y/x 双向应变比，双向应变比，H=Ky/Kx 双向应变灵敏系数比，双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数。称为横向效应系数。本讲稿第二十五页，共七十

17、五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片l温度效应温度效应应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。上式为应变片（无应力作用时）的温度效应；用应变形上式为应变片（无应力作用时）的温度效应；用应变形式表示，称为相对的式表示，称为相对的热输出热输出，即，即本讲稿第二十六页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l金属丝电阻应变

18、片金属丝电阻应变片l温度效应温度效应应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。热输出热输出前部分为热阻效应所造成，后部分为敏感栅与试件热膨前部分为热阻效应所造成，后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。胀失配所引起。本讲稿第二十七页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应l史密斯史密斯(C.S.Smith)等学者很早就发现，对半导体施加等学者很早就发

19、现，对半导体施加应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为压压阻效应阻效应。l半导体压阻效应一个很重要的特点半导体压阻效应一个很重要的特点是效应的各向异性。是效应的各向异性。l当单晶硅受到一定的应力时，其电当单晶硅受到一定的应力时，其电阻率随应力变化具有线性关系。阻率随应力变化具有线性关系。本讲稿第二十八页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l灵敏系数（灵敏度指标）灵敏系数（灵敏度指标）l横向效应横向效应和横向效应系数和横向效应系数 Hl机械滞后机械滞后l蠕

20、变和零漂蠕变和零漂l应变极限应变极限l频率响应（工作频率）频率响应（工作频率）l响应时间（时间常数）响应时间（时间常数）l疲劳寿命疲劳寿命 N本讲稿第二十九页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l蠕变和零漂蠕变和零漂应变片在恒温恒载条件下，输入信号恒定时，应变片指应变片在恒温恒载条件下，输入信号恒定时，应变片指示应变值随时间单向变化的特性称为蠕变。示应变值随时间单向变化的特性称为蠕变。试件空载（无输入信号）时，应变片指示应变值仍随时试件空载（无输入信号）时，应变片指示应变值仍随时间变化的现象称为零漂。间变化

21、的现象称为零漂。本讲稿第三十页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l应变极限应变极限应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。在恒温条件下，使非线性误差达到保持。在恒温条件下，使非线性误差达到 10%时的真时的真实应变值，称为应变极限实应变值，称为应变极限 lim。本讲稿第三十一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的静态特性静态特性l疲劳寿命疲劳寿命 N疲劳寿命疲劳寿命 N 是

22、指粘贴在试件上的应变片，在恒幅交变应是指粘贴在试件上的应变片，在恒幅交变应力作用下，连续工作直至疲劳损坏时的循环次数。力作用下，连续工作直至疲劳损坏时的循环次数。疲劳寿命和应变片的取材、工艺和焊接、粘贴质量等因疲劳寿命和应变片的取材、工艺和焊接、粘贴质量等因素有关，一般要求素有关，一般要求 N=105107 次。次。本讲稿第三十二页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l静态与动态特性静态与动态特性本讲稿第三十三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消

23、除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿-单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片-双丝自补偿应变片双丝自补偿应变片l桥路补偿法桥路补偿法本讲稿第三十四页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿通

24、过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿-单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片-双丝自补偿应变片双丝自补偿应变片l桥路补偿法桥路补偿法本讲稿第三十五页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿-单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片-双丝自补偿应变片双丝自补偿应变片只能在选定的试件上使用只能在选

25、定的试件上使用l桥路补偿法桥路补偿法本讲稿第三十六页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法l桥路补偿法桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿-双丝半桥式双丝半桥式-补偿块法补偿块法本讲稿第三十七页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应变片的热输出补偿方法热输出补偿

26、方法l热输出的补偿方法就是消除热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。对测量应变的干扰。l温度自补偿法温度自补偿法l桥路补偿法桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿理来达到补偿-双丝半桥式双丝半桥式-补偿块法补偿块法DdP本讲稿第三十八页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l不仅取决于应变计本身的质量不仅取决于应变计本身的质量,而且取决于应变计的正确而且取决于应变计的正确使用。使用。l压力检测中，视其弹性体的结构形式分为压力检测中，视其弹性体的结构形式分为单一式：

27、应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。单一式：应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。组合式：由受压弹性元件（膜组合式：由受压弹性元件（膜片、膜盒或波纹管）和应变弹片、膜盒或波纹管）和应变弹性元件组合而成。性元件组合而成。本讲稿第三十九页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l组合式组合式本讲稿第四十页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l应用和测量范围广。用应变计可制成测量各种机械量传感应用和测量范围广。用应变计可制成测量各种机械量传感器，如

28、：力传感器器，如：力传感器（可测可测 10-2107 N），压力传感器，压力传感器（可测可测 103108 Pa），加速度传感器，加速度传感器（可测可测 103 m/s2）l分辨分辨率和灵敏度高。半导体应变计灵敏度达几十率和灵敏度高。半导体应变计灵敏度达几十mV/N；精度达精度达 13%，高精度达高精度达 0.10.01%。l结构小、使用方便。结构小、使用方便。本讲稿第四十一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用本讲稿第四十二页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元

29、件l应变片的应用应变片的应用本讲稿第四十三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电阻型检测元件电阻型检测元件l应变片的应用应变片的应用l标称阻值，应变片在常温（标称阻值，应变片在常温（20）常压（）常压（1个大气压）时个大气压）时的阻值。的阻值。l一般情况选用一般情况选用 120 阻值；阻值；l为提高灵敏度，应采用较高的供桥电压和较小的工作电为提高灵敏度，应采用较高的供桥电压和较小的工作电流，则选用较高的标称阻值，如：流，则选用较高的标称阻值，如：350、500 或或 1000 阻值。阻值。本讲稿第四十四页，共七十五页第第部分部分基础知识基础知识第二章检测元件第二章检

30、测元件与检测技术与检测技术电阻型检测元件电阻型检测元件电容型检测元件电容型检测元件本讲稿第四十五页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。变化的一种传感器。l结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。l随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。

31、长避短，成为一种很有发展前途的传感器。本讲稿第四十六页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l导体的电容导体的电容l对孤立带电导体来说，它的电势对孤立带电导体来说，它的电势 U（孤立导体的电势）（孤立导体的电势）和所带的电量和所带的电量 q 的大小成正比；孤立带电导体所带的电的大小成正比；孤立带电导体所带的电量量 q 与其电势与其电势 U 比值称为导体的电容，即比值称为导体的电容，即 C=q/U。l对于同一个导体来说，它的电容是一个常量；它与导体对于同一个导体来说，它的电容是一个常量；它与导体本身的大小、形状有关；它与导体的材质、和它所带电本

32、身的大小、形状有关；它与导体的材质、和它所带电量的多少、是否带电无关。量的多少、是否带电无关。本讲稿第四十七页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l导体的电容导体的电容l电容的单位称为法拉（简称法），符号为电容的单位称为法拉（简称法），符号为 F。l孤立导体的电势就是该导体与无穷远处的电势差；孤立孤立导体的电势就是该导体与无穷远处的电势差；孤立导体的电容可理解为该导体与无穷远处的极板所构成导体的电容可理解为该导体与无穷远处的极板所构成（就是以导体和地球所组成）的电容器的电容。（就是以导体和地球所组成）的电容器的电容。本讲稿第四十八页，共七十

33、五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l电容器的电容电容器的电容l通常电容器由两个金属极板和介于中间的介质所组成。通常电容器由两个金属极板和介于中间的介质所组成。l电容器的电容电容器的电容 C 定义：电容器一个极板所带电荷定义：电容器一个极板所带电荷 q（指（指绝对值）和两个极板的电势差绝对值）和两个极板的电势差 UA UB（不是某一极板（不是某一极板的电势）之比，即的电势）之比，即 C=q/(UA UB)。l电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量。电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量。本讲稿第四十九页，共七十五页M&T,I 检

34、测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l平板电容器平板电容器l平板电容器由绝缘介质分开的平板电容器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成。两个平行金属板组成。l 0 为为真空介电常数真空介电常数(8.8510-12Fm-1)+A 本讲稿第五十页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l球形电容器球形电容器l当当 rB rA 时时rArB球形电容器球形电容器 本讲稿第五十一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l柱形电容器柱形电容器rBrAL柱形电容器柱形电容器本讲稿第五

35、十二页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l平行直导线形电容器平行直导线形电容器drBA平行直导线形电容器平行直导线形电容器本讲稿第五十三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l、r、A 某一项或某几项变化时，都会引起电容某一项或某几项变化时，都会引起电容 C 的变化。的变化。l这些量的变化可以间接反映线位移、角位移、压力、这些量的变化可以间接反映线位移、角位移、压力、加速度等物理量的变化。加速度等物理量的变化。l电容式传感器分为电容式传感器分为l变极距型变极距型 极板间距离为变化量极板

36、间距离为变化量l变面积型变面积型 极板的有效面积为变化量极板的有效面积为变化量l变介质型变介质型 极板间介质的介电常数为变化量极板间介质的介电常数为变化量本讲稿第五十四页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变极距型变极距型l单组单组/差动差动l线位移线位移/角位移角位移 本讲稿第五十五页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变极距型变极距型l单组线位移单组线位移非线性特性，电容非线性特性，电容 C 与极距与极距 之间的函数为反比关系之间的函数为反比关系 0 C，0 C0 C C 0C0

37、C=f()特性曲线特性曲线本讲稿第五十六页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变极距型变极距型l单组线位移单组线位移0 C/C0 /0变极距电容传感器的非线性特性变极距电容传感器的非线性特性12本讲稿第五十七页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变极距型变极距型l单组线位移单组线位移灵敏度与非线性误差灵敏度与非线性误差-0 越小，灵敏度越小，灵敏度 S 越高；越高；-0 的减小会导致非线性误差增大；的减小会导致非线性误差增大；-0 过小能引起电容器击穿或短路。过小能引起电容器击穿或短

38、路。l防止电容器击穿，极板间采用高介电常数的材料（云母、防止电容器击穿，极板间采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质，起绝缘作用。塑料膜等）作介质，起绝缘作用。本讲稿第五十八页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变极距型变极距型l单组线位移单组线位移 0A 定极板定极板动极板动极板高介电常数高介电常数的材料的材料本讲稿第五十九页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变极距型变极距型l单组线位移单组线位移l差动线位移差动线位移-差动式比单极式灵敏度提高一倍；差动式比单极式灵敏度提高

39、一倍；-非线性误差减小一个数量级；非线性误差减小一个数量级；-由于结构上的对称，它还可有效地补偿温度变化造成由于结构上的对称，它还可有效地补偿温度变化造成的误差。的误差。本讲稿第六十页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术电容型检测元件电容型检测元件l变面积型变面积型l单组单组/差动差动l线位移平板型线位移平板型线位移圆柱型线位移圆柱型llll本讲稿第六十一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变面积型变面积型l单组单组/差动差动l线位移平板型线位移平板型线位移圆柱型线位移圆柱型角位移平板型角位移平板型角位移圆柱型角

40、位移圆柱型 本讲稿第六十二页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变面积型变面积型l单组线位移单组线位移-线性输出特性，适于测量较大的直线位移和角位移；线性输出特性，适于测量较大的直线位移和角位移；-极距保持不变。为了减少极距的影响，可使用中间极极距保持不变。为了减少极距的影响，可使用中间极板移动式结构。板移动式结构。l中间极板移动式中间极板移动式变面积型电容传感器变面积型电容传感器l0本讲稿第六十三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变介质型变介质型l单组单组/差动差动l平板型平板

41、型圆柱型圆柱型llll本讲稿第六十四页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l变介质型变介质型l单组平板型单组平板型-电容的相对变化与介质电容的相对变化与介质2（被测介质）的移入深度成线（被测介质）的移入深度成线性关系；性关系；-可用来测量材料厚度、非导电固体物质的湿度、非导可用来测量材料厚度、非导电固体物质的湿度、非导电物料的物位。电物料的物位。l被测介质被测介质极极板板非导电材料物位非导电材料物位变介质型电容传感器变介质型电容传感器本讲稿第六十五页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l

42、变介质型变介质型本讲稿第六十六页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l边缘效应边缘效应在电容极板的边缘存在电在电容极板的边缘存在电场，如果极板有一定的厚场，如果极板有一定的厚度，就会在极板的侧面上度，就会在极板的侧面上产生电荷的累积，即产生产生电荷的累积，即产生电容。电容。边缘效应给传感器的测量边缘效应给传感器的测量带来误差，使传感器的灵带来误差，使传感器的灵敏度降低，输出特性产生敏度降低，输出特性产生非线性。非线性。边缘电场边缘电场r本讲稿第六十七页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件

43、l边缘效应边缘效应消除边缘效应的方法消除边缘效应的方法l减小边缘的有效面积减小边缘的有效面积l采用等位环结构采用等位环结构等位环与上极板在同等位环与上极板在同一平面上并将其包围，一平面上并将其包围，且与下面电极电绝缘、且与下面电极电绝缘、等电位。这样，上下等电位。这样，上下两个极板的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等两个极板的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环外周，故不影响传感器两电极间的电场，从而克服位环外周，故不影响传感器两电极间的电场，从而克服边缘效应的影响。边缘效应的影响。下极板下极板上极板上极板边边缘缘电电场场均匀电场均匀电场等位环等位环带有等位环的平板电容传感器原理结构

44、图带有等位环的平板电容传感器原理结构图本讲稿第六十八页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l静电引力静电引力电容极板上累积正、负电荷，产生静电场，进而产电容极板上累积正、负电荷，产生静电场，进而产生静电引力。生静电引力。本讲稿第六十九页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术电容型检测元件电容型检测元件l寄生电容寄生电容电容极板引线间及引线电缆间所产生的电容，它与电容极板引线间及引线电缆间所产生的电容，它与传感器电容相并联。由于受结构尺寸等限制，电容传感器电容相并联。由于受结构尺寸等限制，电容式传感器电容量都很小（一般为

45、几到几十式传感器电容量都很小（一般为几到几十 pF），），属于小功率、高阻抗器件；易受到外界干扰的、随属于小功率、高阻抗器件；易受到外界干扰的、随机性的电缆寄生电容大于它几倍、几十倍。机性的电缆寄生电容大于它几倍、几十倍。极板极板极板极板引线引线本讲稿第七十页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l寄生电容寄生电容消除寄生电容的常用方法消除寄生电容的常用方法l等电位屏蔽法等电位屏蔽法前置放大电路频域较窄、输出信号与输入信号有相位差，前置放大电路频域较窄、输出信号与输入信号有相位差，频率特性差。频率特性差。前置级前置级+_Cx外层屏蔽外层屏蔽内

46、层屏蔽内层屏蔽等电位屏蔽法原理图等电位屏蔽法原理图本讲稿第七十一页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l寄生电容寄生电容消除寄生电容的常用方法消除寄生电容的常用方法l等电位屏蔽法等电位屏蔽法l整体屏蔽法整体屏蔽法l组合集成技术组合集成技术Cp1Cp2Z3Z4C1C2U放大器本讲稿第七十二页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l温度影响温度影响l温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响l温度对电解质介质的影响温度对电解质介质的影响本讲稿第七十三页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检

47、测元件与检测技术l电容型检测元件电容型检测元件l应用应用l电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。度等机械量。l变极距型适用较小位移的测量，量程在变极距型适用较小位移的测量，量程在 0.01 至几百微至几百微米，精度可达米，精度可达 0.01 m、分辨率可达、分辨率可达 0.001 m。l变面积型适用测量较大的位移，量程为零点几至数百毫变面积型适用测量较大的位移，量程为零点几至数百毫米，线性度误差小于米，线性度误差小于 0.5%，分辨率为，分辨率为 0.010.001 m。本讲稿第七十四页，共七十五页M&T,I 检测元件与检测技术检测元件与检测技术l小结小结l电阻型检测元件电阻型检测元件l变变 l 型型 电位器电位器l变变 型型 热电阻、热敏电阻热电阻、热敏电阻l变变(l,A,)型型 应变片、压敏电阻应变片、压敏电阻l电容传感器的原理电容传感器的原理l平板电容、柱面电容、球面电容、平行导线电容平板电容、柱面电容、球面电容、平行导线电容l变极距型、变面积型、变介质型变极距型、变面积型、变介质型本讲稿第七十五页，共七十五页