电容式热电式压电式优秀课件
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电容式热电式压电式 优秀课件
第四节 电容式检测元件
平板型电容器 当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量C为
C dA0r
A d
A为极板面积；d 为两极板间
的距离；为极板间介质的介电常数； 0为真空介
电常数； 为 r介质相对真空的相对介电常数。
第四节 电容式检测元件
圆筒形电容器 其电容量C为 C 2 0 rl ln R r
结点产生热电势的微观解释及图形符号
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自 由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发 生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属 A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得 到电子带负电，从而产生热电势。
A＋
T
自由 电子
B
eAB（ T ）
热电偶的工作原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示
热电极A
左端称为：
测量端
A
（工作端、 热端）
热电势
wk.baidu.com
热电极B
右端称为： 自由端
（参考端、 冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
将热电极A、B的两个接点分别置于温度为T 及T（0 设T ＞T 0 ）的热源中，则在该回路内 就会产生热电动势。这种现象称之为热电 效应。 温度高的接点称为热端（或工作端），温 温度低的接点称为冷端（或自由端）
C 2 d
C0
d0
灵敏度：
KC
C d
2C0 d0
变极距式电容传感器能用来测微小的线位移。
第四节 电容式检测元件
变面积式电容器
变面积电容器结构原理图 1、3--定极板；2--动极板
变面积式电容传感器
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直 线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带
第五节 热电式检测元件
热电偶的热电势由接触电势和温差电势组成 接触电势：与两种金属材料和接触点温度有关
两者电子密度不同，扩散速度不同
eABt
ktlnNAt e NBt
图2.5.2 接触电势原理图
第五节 热电式检测元件
温差电势
导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因 而向低温端扩散 ，当达到动态平衡时，在导体 的两端便产生一个相应的电位差。该电位差就 称为温差电势。可表示为：
变极距式电容传感器的特性曲线
a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小 些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较
小时，它的测量范围变大还是变小？
第四节 电容式检测元件
改变极板间的距离，导
致电容量的变化，其相 对变化可近似为：
l 为圆筒长度；R为外圆筒内半径；r为内圆筒外
半径；其他符号上式相同
第四节 电容式检测元件
电容元件的结构和特性（参考动画）
变极距式电容器
变极距式电容器结构原理图 1、3--定极板；2动极板
变极距式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移
时，改变了两极板之间的距离d，从而使
电容量发生变化。
实际使用时，总是使初始极距d0尽量 小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极 距式电容器的行程较小的缺点。
电容式传感器的应用
荷重测量
料位指示仪
电容式液位计
棒状电极（金属管） 外面包裹聚四氟乙烯套 管，当被测液体的液面 上升时，引起棒状电极 与导电液体之间的电容 变大。
聚四氟乙烯外套
液位限位传感器的设定
设定按钮
智能化液位传感器的设 定方法十分简单：
用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设 定。正常使用时，当水位高 于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。
结论：
①如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度 如何，总电势为零；
②如果两接点处的温度相同，尽管两种金属材料 不同，总热电势为零；
③热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度 有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；
④接若点温A、度BT和材T料0确的定函，数热差电即势EAB（T，T0） 是两
eAT,
T0
T
T0
AdT
第五节 热电式检测元件
热电偶回路热电势
对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温
度为
T＞T
，N
0
A＞
N
B
时，闭合回路总的热电势
为
E A T , T 0 B e A T e B A T 0 B e A T , T 0 e B T , T 0
kT ln N AT k0T ln N A0T T
e N BT e N B0T T 0
BAdT
有关热电偶热电势的讨论
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端
热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差
Δt 的函数：
EAB（T，T0）=eAB （ T
）-
eAB
（
T 0
）
热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比
动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因
而电容量也随之减小。
第四节 电容式检测元件
当可动极板在被测量的作用下发生位移，使 两极板相对有效面积改变 A ，则会导致电 容器的电容量的变化C
C A
d0
灵敏度 K C C Ad0
变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度 是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、 尺寸等参量。
第四节 电容式检测元件
变介电常数式电容器
当两极板间介质的介电常数 变化 ，由此
引起的电容改变量为 C
C A
d0
变介电常数式
因为各种介质的相对介电常数不同，所 以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器 的电容量也就不同。
表5-1 几种介质的相对介电常数
变介电常数式电容传感器的用途
根据表5-1，分析不同介质对变介电常数 电容器的影响。在电容器两极板间插入干的 纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？ 可以用于测量什么非电量？ 可测含水量、物位及介质厚度等物理参数
第五节 热电式检测元件
从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属 组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点 （称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏 转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结 点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明 什么？） 。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产 生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结 点的温差有关。
第四节 电容式检测元件
平板型电容器 当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量C为
C dA0r
A d
A为极板面积；d 为两极板间
的距离；为极板间介质的介电常数； 0为真空介
电常数； 为 r介质相对真空的相对介电常数。
第四节 电容式检测元件
圆筒形电容器 其电容量C为 C 2 0 rl ln R r
结点产生热电势的微观解释及图形符号
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自 由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发 生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属 A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得 到电子带负电，从而产生热电势。
A＋
T
自由 电子
B
eAB（ T ）
热电偶的工作原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示
热电极A
左端称为：
测量端
A
（工作端、 热端）
热电势
wk.baidu.com
热电极B
右端称为： 自由端
（参考端、 冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
将热电极A、B的两个接点分别置于温度为T 及T（0 设T ＞T 0 ）的热源中，则在该回路内 就会产生热电动势。这种现象称之为热电 效应。 温度高的接点称为热端（或工作端），温 温度低的接点称为冷端（或自由端）
C 2 d
C0
d0
灵敏度：
KC
C d
2C0 d0
变极距式电容传感器能用来测微小的线位移。
第四节 电容式检测元件
变面积式电容器
变面积电容器结构原理图 1、3--定极板；2--动极板
变面积式电容传感器
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形 变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直 线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带
第五节 热电式检测元件
热电偶的热电势由接触电势和温差电势组成 接触电势：与两种金属材料和接触点温度有关
两者电子密度不同，扩散速度不同
eABt
ktlnNAt e NBt
图2.5.2 接触电势原理图
第五节 热电式检测元件
温差电势
导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因 而向低温端扩散 ，当达到动态平衡时，在导体 的两端便产生一个相应的电位差。该电位差就 称为温差电势。可表示为：
变极距式电容传感器的特性曲线
a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小 些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较
小时，它的测量范围变大还是变小？
第四节 电容式检测元件
改变极板间的距离，导
致电容量的变化，其相 对变化可近似为：
l 为圆筒长度；R为外圆筒内半径；r为内圆筒外
半径；其他符号上式相同
第四节 电容式检测元件
电容元件的结构和特性（参考动画）
变极距式电容器
变极距式电容器结构原理图 1、3--定极板；2动极板
变极距式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移
时，改变了两极板之间的距离d，从而使
电容量发生变化。
实际使用时，总是使初始极距d0尽量 小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极 距式电容器的行程较小的缺点。
电容式传感器的应用
荷重测量
料位指示仪
电容式液位计
棒状电极（金属管） 外面包裹聚四氟乙烯套 管，当被测液体的液面 上升时，引起棒状电极 与导电液体之间的电容 变大。
聚四氟乙烯外套
液位限位传感器的设定
设定按钮
智能化液位传感器的设 定方法十分简单：
用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时，放开 按钮，智能仪器就记住该设 定。正常使用时，当水位高 于该点后，即可发出报警信 号和控制信号。
结论：
①如果热电偶两材料相同，则无论接点处的温度 如何，总电势为零；
②如果两接点处的温度相同，尽管两种金属材料 不同，总热电势为零；
③热电偶产生的热电势只与材料、接点处的温度 有关，而与材料的尺寸、几何形状无关；
④接若点温A、度BT和材T料0确的定函，数热差电即势EAB（T，T0） 是两
eAT,
T0
T
T0
AdT
第五节 热电式检测元件
热电偶回路热电势
对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温
度为
T＞T
，N
0
A＞
N
B
时，闭合回路总的热电势
为
E A T , T 0 B e A T e B A T 0 B e A T , T 0 e B T , T 0
kT ln N AT k0T ln N A0T T
e N BT e N B0T T 0
BAdT
有关热电偶热电势的讨论
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端
热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差
Δt 的函数：
EAB（T，T0）=eAB （ T
）-
eAB
（
T 0
）
热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比
动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因
而电容量也随之减小。
第四节 电容式检测元件
当可动极板在被测量的作用下发生位移，使 两极板相对有效面积改变 A ，则会导致电 容器的电容量的变化C
C A
d0
灵敏度 K C C Ad0
变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度 是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、 尺寸等参量。
第四节 电容式检测元件
变介电常数式电容器
当两极板间介质的介电常数 变化 ，由此
引起的电容改变量为 C
C A
d0
变介电常数式
因为各种介质的相对介电常数不同，所 以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器 的电容量也就不同。
表5-1 几种介质的相对介电常数
变介电常数式电容传感器的用途
根据表5-1，分析不同介质对变介电常数 电容器的影响。在电容器两极板间插入干的 纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？ 可以用于测量什么非电量？ 可测含水量、物位及介质厚度等物理参数
第五节 热电式检测元件
从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属 组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点 （称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏 转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结 点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明 什么？） 。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产 生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结 点的温差有关。