沈航傳感與測試技術(shù)323,334電容式、測量電路

常用傳感器

傳感器定義、組成及分類

電參量型傳感器電量型傳感器

光電式傳感器

光纖傳感器數(shù)字式傳感器2023/2/71電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電參量型傳感器測量電路電參量型傳感器2023/2/72電容式傳感器被測量變化能引起傳感器輸出電容值變化的傳感器稱為電容式傳感器(CapacitanceTransducer)。電容傳感器的工作原理與特性 以平板電容器為例：+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時，引起電容的變化。2023/2/73電容式傳感器電容傳感器的工作原理與特性電容式傳感器是一個具有可變參數(shù)的電容器。根據(jù)電容器變化的參數(shù)不同，可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。極距變化型電容傳感器面積變化型電容傳感器介質(zhì)變化型電容傳感器應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施2023/2/74極距變化型電容傳感器原理：當(dāng)傳感器的εr和A為常數(shù)，初始極距為δ0變化,則電容發(fā)生變化。++++++2023/2/75極距變化型電容傳感器原理：當(dāng)傳感器的εr和A為常數(shù)，初始極距為δ0，變化的極距為δx則電容值：2023/2/76極距變化型電容傳感器應(yīng)用特性：極距變化型電容傳感器只有在|△δ/δ0|很小時(即測量范圍△δ很小時)，才有近似的線性輸出，一般△δ=(0.01~0.1)δ0。其近似線性靈敏度為：靈敏度S與初始極距δ0的平方成反比，故其靈敏度極高，其缺點是具有非線性特性，因此測量范圍受到一定限制，適用于微小位移測量。2023/2/77極距變化型電容傳感器差動結(jié)構(gòu)：非單一介質(zhì)的電容傳感器：

可進(jìn)行位移測量和電介質(zhì)的厚度測量。差動式結(jié)構(gòu)靈敏度提高1倍，且線性誤差大大減小，且有效補(bǔ)償溫度變化引起的誤差。2023/2/78面積變化型電容傳感器原理：改變電容器極板面積常采用線位移型和角位移型兩種方式

。平面線位移型

令以最大相對面積為初始位置，1)

線位移型——平面線位移型和柱體線位移型abδ0x定極板動極板圖3.34面積變化型電容傳感器2023/2/79面積變化型電容傳感器柱體線位移型

令內(nèi)外電極有效覆蓋長度為x，1)

線位移型——平面線位移型和柱體線位移型2023/2/710面積變化型電容傳感器2)

角位移型+++2023/2/711應(yīng)用特性：面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入關(guān)系是線性關(guān)系。與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移和角位移測量。常采用差動式結(jié)構(gòu)以提高靈敏度。面積變化型電容傳感器圖3.37

面積變化型差動式結(jié)構(gòu)電容傳感器CAB(c)

柱體結(jié)構(gòu)(a)扇形平板結(jié)構(gòu)ABC△ααrRO(b)柱面板結(jié)構(gòu)OACBRαrl2023/2/712L介質(zhì)變化型電容傳感器原理：利用極板間介質(zhì)的介電常數(shù)變化將被測量轉(zhuǎn)換成電容的變化。

以電介質(zhì)插入式為例，x應(yīng)用特性：變介質(zhì)型電容傳感器可用來測量電介質(zhì)的液位或某些材料的溫度、濕度和厚度等。介質(zhì)變化型電容傳感器常用于非導(dǎo)電液體液位的測量，其靈敏度與介電常數(shù)的差值(ε2-ε1)的值成正比，(ε2-ε1)值越大靈敏度越高。2023/2/713等效電路(Equivalentcircuit)考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作，而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時，其等效電路如圖。C—傳感器電容；RP—低頻損耗并聯(lián)電阻；RS—串聯(lián)損耗電阻；L—電容器及引線電感；CP—寄生電容應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施在實際應(yīng)用中高頻激勵時，每當(dāng)改變激勵頻率或者更換傳輸線纜時，會使傳感器有效電阻和有效靈敏度都發(fā)生變化，因此必須對測量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。2023/2/714寄生電容(Parasiticalcapacitance)寄生電容與傳感器電容并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性。消除寄生電容的影響，是電容式傳感器實用的關(guān)鍵。下面介紹幾種消除電纜寄生電容影響的方法：驅(qū)動電纜法原理：驅(qū)動電纜法是一種等電位屏蔽法。使用電纜屏蔽層電位跟蹤與電纜相連的傳感器電容極板電位，使兩電位的幅值和相位均相同，從而消除電纜分布電容的影響。應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施2023/2/715寄生電容(Parasiticalcapacitance)驅(qū)動電纜法應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施驅(qū)動電纜結(jié)構(gòu)：在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為1(幅頻特性為1，相頻特性為零)的驅(qū)動放大器，放大器的正輸入端接到傳感器芯線，輸出端接到屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層，使內(nèi)屏蔽層與芯線等電位，消除了芯線與內(nèi)屏蔽層的容性漏電流，克服了寄生電容的影響。

2023/2/716寄生電容(Parasiticalcapacitance)整體屏蔽法應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施所謂整體屏蔽法是將整個電路(包括電源、電纜等)統(tǒng)一用屏蔽罩屏蔽起來。其關(guān)鍵在于正確選擇接地點，如圖所示為差動電容器配用電橋測量電路的整體屏蔽。2023/2/717寄生電容(Parasiticalcapacitance)采用組合式與集成技術(shù)應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施將測量電路的前置級或全部裝在緊靠傳感器處，縮短電纜；采用超小型大規(guī)模集成電路，將全部測量電路組合在傳感器殼體內(nèi)；利用集成技術(shù)工藝，將傳感器與調(diào)理電路集成于同一芯片，構(gòu)成集成電容式傳感器。2023/2/718邊緣效應(yīng)(Margineffect)理想平板電容器的電場線是直線的，但實際情況下，在靠近邊緣地方的會變彎，越靠邊就越彎得厲害，到邊緣時彎得最厲害，這種彎曲的現(xiàn)象叫做邊緣效應(yīng)。措施：采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖：應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施采用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為電極，減小極板厚度，以減小邊緣效應(yīng)。均勻磁場面積定極板保護(hù)極動極板圖3.43

帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理結(jié)構(gòu)2023/2/719靜電引力(Electrostaticattraction)電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極板距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，需考慮因靜電引力造成的測量誤差。溫度的影響(Temperatureeffect)環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要由兩個方面因素引起的，一個是溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響。另一個是溫度對介質(zhì)的影響。應(yīng)用中存在的問題和改進(jìn)措施2023/2/720電參量型傳感器輸出為電路參數(shù)，即電阻、電容和電感(自感)，都屬于能量控制型傳感器，需要設(shè)計合理的電參數(shù)—電量(通常為電壓或電流)轉(zhuǎn)換電路，并供以外部電源，通過測量由被測量變化引起的電路參數(shù)變化控制的電路輸出能源大小來實現(xiàn)被測量的測量，一般為電壓信號。采用激勵電源是直流或是交流，其轉(zhuǎn)換電路輸出的信號形式也不同，可輸出直接與被測量相對應(yīng)的低頻信號，也可是受被測量調(diào)制的調(diào)幅信號或調(diào)頻信號、調(diào)相信號等，也可輸出為電壓脈沖信號。電量型傳感器測量電路2023/2/721電參量型傳感器測量電路一般包括電參數(shù)—電壓轉(zhuǎn)換電路、放大電路、激勵電源和解調(diào)電路。當(dāng)激勵電源是直流電源時，解調(diào)電路可略。

電量型傳感器測量電路本書中轉(zhuǎn)換電路通常指的是能實現(xiàn)傳感器輸出參數(shù)到電壓、電流轉(zhuǎn)換的電路，不管其電壓、電流形式如何。而測量電路通常指的是從傳感器終到指示單元間的所有信號