傳感器原理及應(yīng)用-第3章

1、第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器一、電容式傳感器的工作原理一、電容式傳感器的工作原理二、電容式傳感器的測量電路二、電容式傳感器的測量電路三、電容式傳感器的誤差分析三、電容式傳感器的誤差分析四、電容式傳感器的應(yīng)用四、電容式傳感器的應(yīng)用主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：l電容式傳感器的構(gòu)成原理及特性電容式傳感器的構(gòu)成原理及特性l電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路l電容式傳感器的誤差分析電容式傳感器的誤差分析基本要求：基本要求： 掌握電容式傳感器構(gòu)成原理及特性，掌握各掌握電容式傳感器構(gòu)成原理及特性，掌握各種測量電路及其特性，了解測量誤差的產(chǎn)生因素種測量電路及其特性，了解測量誤差

2、的產(chǎn)生因素及解決方法。及解決方法。l 測量范圍大，靈敏度高，測量范圍大，靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，抗過載能力大，價(jià)格便宜，一般簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，抗過載能力大，價(jià)格便宜，一般用于測量用于測量壓力、力、位移、振動(dòng)、液位壓力、力、位移、振動(dòng)、液位等。等。l 容易實(shí)現(xiàn)容易實(shí)現(xiàn)非接觸測量非接觸測量。l 寄生電容較大寄生電容較大，具有，具有非線性非線性。 電容式傳感器是把電容式傳感器是把被測量被測量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電容量電容量變變化的一種傳感器?；囊环N傳感器。概述概述特點(diǎn)：特點(diǎn)：電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感

3、器差壓傳感器S極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積；d極板間距離；極板間距離；r相對介電常數(shù)；相對介電常數(shù)；0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，08.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。dS圖圖3-1 電容傳感器原理圖電容傳感器原理圖 3-1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 金屬平板電容器，忽略金屬平板電容器，忽略邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)時(shí)，電容為時(shí)，電容為)(6 . 30pFdSdSdSCrr 原理式原理式l 基本工作原理基本工作原理l 類型類型 當(dāng)當(dāng)S、d 或或r 發(fā)生變化時(shí)發(fā)生變化時(shí), C也隨之變化。保持也隨之變化。保持其中兩個(gè)參數(shù)不變其中兩個(gè)參數(shù)不變,

4、, 僅改變另外一個(gè)僅改變另外一個(gè), , 就可把該參就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。+dS r變間距型變間距型變面積型變面積型變介質(zhì)型變介質(zhì)型電容式傳感器電容式傳感器圖圖3-2 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖電容傳感器結(jié)構(gòu)圖變間距（變間距（d ）型）型: (a)、(e) 變面積型（變面積型（S）型）型: (b)、(c)、(d)、( f )、(g) （h） 變介質(zhì)變介質(zhì)(r)型型: （i）( l ) 一、變面積型一、變面積型1、線位移型、線位移型圖圖3-3 線位移型線位移型電容傳感器原理圖電容傳感器原理圖 )1()(00axCdxabCrx aCdxdCKx0 可見：可見：C與水

5、平位移與水平位移 x 呈線性關(guān)呈線性關(guān)系，但由于系，但由于邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)，x不能變不能變化太大。化太大。 =常數(shù)常數(shù)2、角位移型傳感器、角位移型傳感器 當(dāng)當(dāng)=0時(shí)時(shí) 圖圖3-4 角位移型原理圖角位移型原理圖 )(00pFdSCr 當(dāng)0時(shí)時(shí))1()1(00 CdSCr 0CddCK =常數(shù)常數(shù)可見：可見：C與角位移與角位移呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 l 變面積式傳感器的幾種派生形式變面積式傳感器的幾種派生形式圖圖3-5a 變面積型變面積型電容傳感器電容傳感器的派生形式的派生形式 圖圖3-5b 電容式位移傳感器電容式位移傳感器 3. 圓筒型變面積傳感器圓筒型變面積傳感器 平板結(jié)構(gòu)平板結(jié)構(gòu)對極距變化

6、特別敏感，測量精度受到對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。影響。 同心圓筒形結(jié)構(gòu)同心圓筒形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化影響很小，成為實(shí)受極板徑向變化影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。際中最常采用的結(jié)構(gòu)。圖圖3-6 圓筒型圓筒型電容傳感器電容傳感器)/ln(2120rrlC l 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r2、r1 圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。l圖圖3-6 圓筒型圓筒型電容傳感器電容傳感器當(dāng)圓柱相對于圓筒移動(dòng)當(dāng)圓柱相對于圓筒移動(dòng) x 時(shí)，時(shí)，)1()/ln()(2012lxCrrxlCx lCdxdCKx0 =常數(shù)常數(shù) 可見：可見：變面積型傳感

7、器具有良好線性，多用來檢測變面積型傳感器具有良好線性，多用來檢測位移位移等參等參數(shù)。數(shù)。但與變極距型相比，靈敏度較低，適用于但與變極距型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移較大角位移及及線線位移位移的測量。的測量。 二、變介質(zhì)型二、變介質(zhì)型1. 檢測檢測不導(dǎo)電介質(zhì)不導(dǎo)電介質(zhì)的的液面高度液面高度 該型傳感器多用來測量電介質(zhì)的該型傳感器多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位厚度、液位，還可測量介質(zhì)的還可測量介質(zhì)的溫度、濕度溫度、濕度等。等。圖圖3-7 電容式液位傳感器電容式液位傳感器 h22R2rHh1 2 2 1 1)/ln()(2)/ln(22111rRhHrRhC 1212)/ln()(2)/ln(2h

8、rRrRH 1KhA 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示演示2. 檢測片狀檢測片狀不導(dǎo)電介質(zhì)不導(dǎo)電介質(zhì)的的厚度厚度 為防止為防止d0過小引起的電容器擊穿或短路，極板過小引起的電容器擊穿或短路，極板間可插入高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等），間可插入高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等），此時(shí)電容此時(shí)電容C為為00110 ddSC 1d1d00圖圖3-8 放置云母片的放置云母片的電容式傳感器電容式傳感器 云母片的云母片的r是空氣的是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣僅為，而空氣僅為3kV/mm。有了云母片，。有了云母

9、片，d0可大大減小?？纱蟠鬁p小。表表3-1 電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù) 三、變極板間距型三、變極板間距型 圖中當(dāng)動(dòng)極板圖中當(dāng)動(dòng)極板隨被測量變化而移隨被測量變化而移動(dòng)使動(dòng)使變化變化時(shí)時(shí)，電，電容量變?yōu)槿萘孔優(yōu)镃CC 0圖圖3-9 變極距變極距電容傳感器與電容傳感器與 C-特性曲線特性曲線 +00001 CSr圖圖3-10 電容量與極板間距離的關(guān)系電容量與極板間距離的關(guān)系 可見：可見： 變極板間距型傳變極板間距型傳感器是感器是非線性非線性的。的。CC1C201 220 SCKr K 常數(shù)常數(shù)20000 SCCKr 當(dāng)當(dāng)/0很?。ê苄。?.020.1）時(shí)，展開成時(shí)，展開成級數(shù)級

10、數(shù)可見：可見：此時(shí)，此時(shí)，近似近似線性。線性。=常數(shù)常數(shù)l 非線性誤差非線性誤差%100)(0020 l 線性化靈敏度線性化靈敏度 K0 0030200000111 CCCCu 差動(dòng)變間隙式電容傳感器差動(dòng)變間隙式電容傳感器 實(shí)際應(yīng)用中，常常采用實(shí)際應(yīng)用中，常常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)來改善其非線性。來改善其非線性。20 SCKr K 常數(shù)常數(shù)圖圖3-11 差動(dòng)變間隙式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖差動(dòng)變間隙式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖2C1C00 202101CC 動(dòng)動(dòng)極極板板因因變間距型變間距型傳感器存在著非線性傳感器存在著非線性 30200011 CC 30200021 CC差動(dòng)輸出為：差動(dòng)輸出為： 300021

11、2 CCCC忽略高次項(xiàng)，整理后為：忽略高次項(xiàng)，整理后為：000022 CCCC可見，可見，差動(dòng)式結(jié)構(gòu)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：KCCK2200 l 靈敏度靈敏度l 非線性誤差非線性誤差 %100)(20030u 可以可以減小減小傳感器的傳感器的非線性誤差非線性誤差；u 可以可以提高提高傳感器的傳感器的靈敏度靈敏度；u 把差動(dòng)式傳感器接入橋路中，可以把差動(dòng)式傳感器接入橋路中，可以抑制抑制由于溫度等由于溫度等因素引起的因素引起的共模干擾共模干擾。u 一般變間距型傳感器初始電容在一般變間距型傳感器初始電容在 20 100 pF 之間，之間，0在在 25200m間，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。間，故在微

12、位移測量中應(yīng)用最廣。u 若采用容抗若采用容抗 作為輸出量，則作為輸出量，則) /(1CXC SCXc11 被測量與被測量與 成線性關(guān)系，成線性關(guān)系，無需滿足無需滿足0 C0 傳感器本身的電容；傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；寄生電容；Rp低頻損耗并聯(lián)電阻，包含極板間漏電和氣隙中介質(zhì)損低頻損耗并聯(lián)電阻，包含極板間漏電和氣隙中介質(zhì)損耗電阻。耗電阻。3-2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路一、等效電路一、等效電路圖圖3-12 等效電路等效電路 L 傳感器連線間總電感，傳感器連線間總電感，包括引線電

13、感和傳感器本身的包括引線電感和傳感器本身的電感；電感；Rs 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻，由引線電阻、由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；極板電阻和金屬支架電阻組成；RpRsC0LZcCp等效阻抗為：等效阻抗為： LCRCRjCRRRZppppsc 222222211其中：其中：pCCC 0等效電阻等效電阻2221CRRRRppsE 等效電容等效電容由下式推導(dǎo)而出由下式推導(dǎo)而出LCRCRCppE 222211傳感器電容的阻抗非常大，傳感器電容的阻抗非常大，L和和Rs的影響可忽略；的影響可忽略；等效電容：等效電容：CE=C0+Cp；等效電阻：等效電阻：RERp。CERpl 低頻等效電路低頻等效電路圖圖3

14、-13 低頻等效電路低頻等效電路 l 高頻等效電路高頻等效電路RsLC 由于由于容抗變小，容抗變小，L和和Rs影響不可忽略；影響不可忽略；Rp很大，很大，漏電的影響可忽略漏電的影響可忽略 。C=C0+Cp。圖圖3-14 高頻等效電路高頻等效電路 等效電容：等效電容： 20211ffCLCCCE 等效電阻：等效電阻：RERsl 等效電容的等效電容的簡化過程簡化過程 20211ffCLCCCE EppppCLCLCRCRLCRCR 11122222222 其中：其中： LCf 210 電路諧振頻率。電路諧振頻率。由于由于Rp很大，故很大，故0ff 為諧振狀態(tài)。為諧振狀態(tài)。 u 一般要求供電頻率為諧

15、振頻率的一般要求供電頻率為諧振頻率的1/31/2，此時(shí)，此時(shí)電容的實(shí)際相對變化量為：電容的實(shí)際相對變化量為： LCCCCCEE21/ 2222)1()1/(LCKdLCCdCKEE 電容傳感器的電容傳感器的等效靈敏度等效靈敏度為為 可見：可見：當(dāng)供電頻率較高時(shí)，傳感器當(dāng)供電頻率較高時(shí)，傳感器靈敏度靈敏度與傳感器的電與傳感器的電容及電感有關(guān)，且隨容及電感有關(guān)，且隨而變化，故標(biāo)定與測量須在而變化，故標(biāo)定與測量須在同樣同樣條件條件下進(jìn)行。下進(jìn)行。 二、測量電路二、測量電路u 典型測量電路有典型測量電路有電橋電路、運(yùn)算放大器電路、二極管電橋電路、運(yùn)算放大器電路、二極管環(huán)形檢波電路、脈沖寬度調(diào)制電路、調(diào)

16、頻電路環(huán)形檢波電路、脈沖寬度調(diào)制電路、調(diào)頻電路等。等。u 電容式傳感器中電容初始值以及變化值都十分微小電容式傳感器中電容初始值以及變化值都十分微?。◣祝◣讕资畮资畃F）, 不便于直接不便于直接顯示、記錄和傳輸顯示、記錄和傳輸，測量，測量電路把這一微小電容變量轉(zhuǎn)換成與之成正比的電路把這一微小電容變量轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓、電電壓、電流流或者或者頻率頻率信號。信號。（一）交流不平衡電橋電路（一）交流不平衡電橋電路u 測量電路交流電源要求幅度和頻率穩(wěn)定，一般要求測量電路交流電源要求幅度和頻率穩(wěn)定，一般要求電源頻率為被測信號最高頻率的電源頻率為被測信號最高頻率的510倍倍。圖圖3-15 交流不平衡電橋

17、測量電路交流不平衡電橋測量電路 交流不平衡電橋是電容傳感器最基本的一種測交流不平衡電橋是電容傳感器最基本的一種測量電路，設(shè)橋臂量電路，設(shè)橋臂Z1為電容傳感器阻抗，另三臂為固為電容傳感器阻抗，另三臂為固定阻抗，電源內(nèi)阻為零定阻抗，電源內(nèi)阻為零 。Z2Z1Z3Z4EscUq 討論討論輸出端開路輸出端開路時(shí)，電橋的時(shí)，電橋的電壓靈敏度電壓靈敏度問題問題圖圖3-16 交流不平衡電橋原理圖交流不平衡電橋原理圖 電橋若滿足平衡條件電橋若滿足平衡條件0 scU則：則：Z1Z4Z2Z3 當(dāng)傳感器阻抗變化當(dāng)傳感器阻抗變化Z，于是橋路失去平衡。，于是橋路失去平衡。其輸出電壓為：其輸出電壓為：EZZZZZZZZUs

18、c 433211將電橋平衡式代入后，整理為：將電橋平衡式代入后，整理為：EZZZZZZEZZZZZZZZUsc2212114321211111 令：令： 為傳感器阻抗變化相對值；為傳感器阻抗變化相對值； 為橋臂比；為橋臂比； 為橋臂系數(shù)。為橋臂系數(shù)。1ZZ 21ZZA 22212111AAZZZZK 則電橋開路輸出為：則電橋開路輸出為： EKEAAUsc 21ddCCZZ 1 對于電容元件來說，對于電容元件來說，為實(shí)數(shù)，為實(shí)數(shù)，有有橋臂比為：橋臂比為： jjjeaeZeZZZA 212121橋臂系數(shù)為：橋臂系數(shù)為： ),(cos)1 (2sin)1 (tan),(cos21),(1222112

19、2 afaaaafaaaKkafekAAKj則：則：EkeKEZZddUSju )(因此，電橋的因此，電橋的電壓靈敏度電壓靈敏度為：為： scUk一一定定時(shí)時(shí)，有有 以以為參變量，可得到橋臂系數(shù)為參變量，可得到橋臂系數(shù)A的模的模k、相角、相角與與a的的關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。圖圖3-17 電橋的電壓靈敏度曲線電橋的電壓靈敏度曲線 圖圖(a)中因?yàn)槊織l中因?yàn)槊織l k =f (a)曲線曲線 f (a)=f (1/a)，所以只給，所以只給出出a1的情形的情形。圖圖(a)中：中：max211kkZZa 時(shí)時(shí)，即即 maxmaxmax1805 . 09025. 00kkk 電橋?yàn)橹C振電橋，橋臂必電橋?yàn)橹C振電

20、橋，橋臂必須是純電感和純電容，實(shí)須是純電感和純電容，實(shí)際不可能做到，故際不可能做到，故k kmaxmax不可不可能達(dá)到無窮大。能達(dá)到無窮大。kmax隨隨而變：而變： uSZZa21211 ，即即結(jié)論：結(jié)論：圖圖(b)中：中： 0001max aa結(jié)論：結(jié)論： 001ZZ)0(,021 aEUEUSCSC，即即同同相相位位的的兩兩種種情情形形與與有有相相移移；與與即即一一般般情情況況下下， 對于不同的對于不同的角，輸出與輸角，輸出與輸入的相位差入的相位差隨隨a變化。變化。圖圖3-18 電容傳感器常用交流電橋的形式電容傳感器常用交流電橋的形式 l 常見電橋常見電橋電壓靈敏度電壓靈敏度的分析的分析圖

21、圖(a)、(b)中：中： 0112121 aeaZZAZZj根據(jù)圖根據(jù)圖3-17曲線或曲線或K的定義可知的定義可知 EEKUkekAAKscj 25. 0025. 012圖圖(c) 中：中： 90112 ajeACRj根據(jù)圖根據(jù)圖3-17曲線或曲線或K的定義可知的定義可知EEKUkekKscj 5 . 005 . 0 可見：圖可見：圖(c)與圖與圖(b)雖然元件一樣，雖然元件一樣，但由于接法不同，但由于接法不同，靈敏度提高了一靈敏度提高了一倍。倍。 圖圖(c)、(d)形式相同，但由于圖形式相同，但由于圖(d)采用了差動(dòng)傳感采用了差動(dòng)傳感器，故輸出靈敏度也比圖器，故輸出靈敏度也比圖(c)提高了一

22、倍，為：提高了一倍，為： EUsc u 上述電橋輸出是在假設(shè)上述電橋輸出是在假設(shè)負(fù)載阻抗為無限大負(fù)載阻抗為無限大時(shí)得到的，時(shí)得到的，實(shí)際上由于負(fù)載阻抗的存在使輸出電壓實(shí)際上由于負(fù)載阻抗的存在使輸出電壓偏小偏小。u 電橋輸出為交流信號，不能判斷傳感器信號的電橋輸出為交流信號，不能判斷傳感器信號的極性極性，只有經(jīng)只有經(jīng)相敏檢波電路相敏檢波電路和和低通濾波器低通濾波器，才能得到反映輸入，才能得到反映輸入信號極性的輸出信號。信號極性的輸出信號。應(yīng)該指出應(yīng)該指出：（二）二極管環(huán)形檢波電路（二）二極管環(huán)形檢波電路圖圖3-19 二極管環(huán)形檢波電路二極管環(huán)形檢波電路 振蕩器，產(chǎn)生激勵(lì)電壓通過變壓器振蕩器，產(chǎn)生

23、激勵(lì)電壓通過變壓器TP加到副邊加到副邊L1，L2處。處。 由由D1D4組成的二極管環(huán)形檢波電路；組成的二極管環(huán)形檢波電路； 穩(wěn)幅放大器穩(wěn)幅放大器A1； 比例放大器比例放大器A2和電流轉(zhuǎn)換器和電流轉(zhuǎn)換器Q4： 恒壓恒流源恒壓恒流源Q2、Q3。 圖圖3-19是目前國內(nèi)外采用較為廣泛的二極管環(huán)是目前國內(nèi)外采用較為廣泛的二極管環(huán)形檢波電路，其中形檢波電路，其中CL、CH為差動(dòng)式電容傳感器。為差動(dòng)式電容傳感器。該電路可分為幾個(gè)主要部分：該電路可分為幾個(gè)主要部分：R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器D1D2A1A2ABR1C1C2UscMQQUFNSRP圖圖3-20 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路（三）差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路

24、（三）差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 如圖所示，由比較器如圖所示，由比較器A1、A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及及電容充、放電回路電容充、放電回路組成。組成。u 利用對傳感器電容充放電使輸出脈沖寬度隨電容量變利用對傳感器電容充放電使輸出脈沖寬度隨電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量的直流信號。化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量的直流信號。UAU1oUBU1oUABoUMoUFT1U1UNUFoT2tttttUAU1otUBU1oUABUSCoUMUFoUNUFoT2T1tttt(a)(b)U1-U1-U1圖圖3-21 脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形 C1和和C2為傳感器差

25、動(dòng)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩為傳感器差動(dòng)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端個(gè)輸出端A、B為脈沖寬度調(diào)制電路的輸出。為脈沖寬度調(diào)制電路的輸出。 設(shè)電源接通時(shí)，若雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的設(shè)電源接通時(shí)，若雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的A端為高電位端為高電位（U1），），B端為低電位（端為低電位（0），則觸發(fā)器通過），則觸發(fā)器通過R1對對C1充充電，直至電，直至M點(diǎn)的電位等于參考電壓點(diǎn)的電位等于參考電壓UF時(shí)，比較器時(shí)，比較器A1產(chǎn)產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，則生一脈沖，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，則A點(diǎn)呈低電位（點(diǎn)呈低電位（0），），B點(diǎn)點(diǎn)呈高電位（呈高電位（U1）。此時(shí)電容）。此時(shí)電容C1（M點(diǎn)電位）經(jīng)二級管點(diǎn)電位）經(jīng)二級管D1迅速放電至零，同時(shí)

26、觸發(fā)器經(jīng)迅速放電至零，同時(shí)觸發(fā)器經(jīng)R2向向C2充電，當(dāng)充電，當(dāng)N點(diǎn)電點(diǎn)電位等于位等于UF時(shí)，比較器時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生一脈沖，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次，則一次，則A點(diǎn)呈高電位，點(diǎn)呈高電位，B點(diǎn)呈低電位，電容點(diǎn)呈低電位，電容C2經(jīng)二級經(jīng)二級管管D2迅速放電至零。如此交替，在觸發(fā)器的兩輸出端迅速放電至零。如此交替，在觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受各自產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的方波脈沖。調(diào)制的方波脈沖。l方波脈沖寬度與方波脈沖寬度與C1、C2的關(guān)系的關(guān)系 顯然，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖顯然，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容的寬度受電容C1、C2的

27、調(diào)制的調(diào)制。當(dāng)當(dāng)C1C2時(shí)線路各點(diǎn)電壓時(shí)線路各點(diǎn)電壓波形如圖波形如圖(a)所示，所示，A、B間電壓脈沖寬度相等，平均電間電壓脈沖寬度相等，平均電壓為零。當(dāng)壓為零。當(dāng)C1C2時(shí)，如時(shí)，如C1C2，則，則C1和和C2充放電時(shí)間充放電時(shí)間常數(shù)不同，電壓波形如圖常數(shù)不同，電壓波形如圖(b)所示。所示。A、B間平均電壓不間平均電壓不再是零。輸出直流電壓由再是零。輸出直流電壓由A、B間電壓經(jīng)低通濾波后獲間電壓經(jīng)低通濾波后獲得，等于得，等于A、B間電壓平均值間電壓平均值UAP和和UBP之差。之差。2121112121211TTTTUUTTTUTTTUUUBPAPsc FUUUlnCRT 11111FUUUl

28、nCRT 11222若：若：RRR 21則：則：12121UCCCCUsc 對差動(dòng)變極距電容傳感器有：對差動(dòng)變極距電容傳感器有： 電容的充電時(shí)間：電容的充電時(shí)間：12121UddddUsc 式中，式中，d1、d2分別為分別為C1、C2極板間距離。極板間距離。 當(dāng)當(dāng)C1=C2=C0時(shí)，有時(shí)，有Usc=0；若；若C1C2，設(shè)，設(shè)C1C2，即即d1=d0-d， d2=d0+d，則有，則有 10UddUsc 同樣，對差動(dòng)變面積電容傳感器有：同樣，對差動(dòng)變面積電容傳感器有： 10USSUsc 差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極距變極距以及以及變面積變面積差動(dòng)差動(dòng)式式電容傳感器，并具有電容傳

29、感器，并具有線性特性線性特性、轉(zhuǎn)換效率高轉(zhuǎn)換效率高；輸出；輸出信號一般為信號一般為100kHz1MHz的矩形波，經(jīng)過低通放大器的矩形波，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，就有較大的直流輸出，對輸出波形純度要求不高對輸出波形純度要求不高，只，只需要一電壓幅值穩(wěn)定的直流電源，這比其他測量線路需要一電壓幅值穩(wěn)定的直流電源，這比其他測量線路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅交流電源易于做到；調(diào)中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅交流電源易于做到；調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。寬頻率的變化對輸出沒有影響?？梢姡嚎梢姡海ㄋ模┻\(yùn)算法測量電路（四）運(yùn)算法測量電路CCx-AEoIxIscUI 該電路的最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電

30、容式傳該電路的最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的感器的非線性非線性。 圖圖3-22 運(yùn)算法測量電路運(yùn)算法測量電路原理圖原理圖 由運(yùn)算放大器反饋原理知：當(dāng)由運(yùn)算放大器反饋原理知：當(dāng)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器放大倍放大倍數(shù)非常大，且輸入阻抗數(shù)非常大，且輸入阻抗Zi很高時(shí)，很高時(shí)，可認(rèn)為運(yùn)算放大器可認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流輸入電流I0，因此下式成立：，因此下式成立：xxscCCZZEU00 SCECCEUxsc00 負(fù)號表明輸出與電源電壓反相。負(fù)號表明輸出與電源電壓反相。 輸出電壓與電容極板間距輸出電壓與電容極板間距成成線性關(guān)系線性關(guān)系，這就從原，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。理上保證

31、了變極距型電容式傳感器的線性。u 為保證精度，還要求電源電壓幅值和固定電容為保證精度，還要求電源電壓幅值和固定電容C0值穩(wěn)定。值穩(wěn)定。 u 該電路雖解決了單個(gè)變間距離式電容傳感器的非該電路雖解決了單個(gè)變間距離式電容傳感器的非線性問題，線性問題，但前提是設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)但前提是設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差。，因此仍然存在一定的非線性誤差。但一般但一般A和和Zi足夠大，所以這種誤差很小。足夠大，所以這種誤差很小。 條件：條件：AUscC0CxER1R2W-+ 由于圖由于圖3-22電路輸出電壓初始值不為零，為了電路輸出電壓初始值不為零，為了實(shí)現(xiàn)零

32、點(diǎn)遷移，可采用圖示電路。圖中輸出電壓實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)遷移，可采用圖示電路。圖中輸出電壓Usc從電位器動(dòng)點(diǎn)對地引出。從電位器動(dòng)點(diǎn)對地引出。圖圖3-23 可實(shí)現(xiàn)調(diào)零的可實(shí)現(xiàn)調(diào)零的運(yùn)算法測量電路運(yùn)算法測量電路 其輸出電壓為其輸出電壓為)1(1)(00000 xxxscCCCCCCEU 當(dāng)當(dāng)Cx0=C0時(shí)時(shí))1(210 xscCCEU) 1(210 SdCEUsc 注意：注意： 上述兩種運(yùn)算放大器電路中固定電容上述兩種運(yùn)算放大器電路中固定電容C0起到了起到了參參比測量比測量的作用。因而當(dāng)?shù)淖饔?。因而?dāng)C0和和Cx0結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料完全相結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料完全相同時(shí)，其環(huán)境溫度對測量的影響可以得到補(bǔ)償。同時(shí)，其環(huán)境溫

33、度對測量的影響可以得到補(bǔ)償。（五）（五） 調(diào)頻電路調(diào)頻電路原理：原理：把電容式傳感器作為把電容式傳感器作為振蕩器振蕩器諧振回路的一部分諧振回路的一部分, 當(dāng)電容變化時(shí)，振蕩器當(dāng)電容變化時(shí)，振蕩器振蕩頻率振蕩頻率發(fā)生變化，將頻率作為發(fā)生變化，將頻率作為輸出量用以判斷被測非電量的大小。輸出量用以判斷被測非電量的大小。鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu圖圖3-24 調(diào)頻式測量電路原理框圖調(diào)頻式測量電路原理框圖 但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放，將頻率的

34、變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大用儀器指示或記錄儀記錄下來。大用儀器指示或記錄儀記錄下來。圖圖3-25 電容三點(diǎn)式調(diào)頻電路電容三點(diǎn)式調(diào)頻電路當(dāng)當(dāng)C=0時(shí)，振蕩器固有頻率時(shí)，振蕩器固有頻率f0 為為 )(21210210CCCLLCf 當(dāng)當(dāng)C0， 振蕩器頻率相應(yīng)變化，振蕩器頻率相應(yīng)變化， 此時(shí)頻率為此時(shí)頻率為 ffCCCCLf 0021)(21 式中：式中：C振蕩回路總電容，振蕩回路總電容，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為傳感器電容。為傳感器電容。 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，

35、可調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至以測量高至0.01m級位移變化量。信號的輸出頻率易級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收，以達(dá)到遙測遙控的目的?？梢园l(fā)送、接收，以達(dá)到遙測遙控的目的。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：3-3 電容式傳感器的誤差分析電容式傳感器的誤差分析 電容傳感器結(jié)構(gòu)原理的分析均在電容傳感器結(jié)構(gòu)原理的分析均在理想條件理想條件下進(jìn)行，下進(jìn)行，沒有考慮如沒有考慮如溫度、電場邊緣效應(yīng)、寄生與分布電容溫度、電場邊緣效應(yīng)、寄生與分布電容等等因素對傳感器精度的影響。因素對傳感器精度的影響

36、。 實(shí)際上由于這些因素的存在，使電容傳感器特性不實(shí)際上由于這些因素的存在，使電容傳感器特性不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作，因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作，因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)必須予以考慮。須予以考慮。一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影晌一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影晌 溫度誤差主要是由于構(gòu)成傳感器的材料不同，因溫度誤差主要是由于構(gòu)成傳感器的材料不同，因此有不同的此有不同的溫度膨脹系數(shù)溫度膨脹系數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感器各零件的幾何形狀、尺寸發(fā)生變化，從而引起電容器各零件的幾何形狀、尺寸發(fā)生變化，從而引起電容量變化。量變化。tpCCCC 0式中：式中：C0為傳感器初始電容；為傳感器

37、初始電容；Cp為在被測信號作用下為在被測信號作用下電容的增量；電容的增量；Ct為環(huán)境溫度變化引起的電容增量。為環(huán)境溫度變化引起的電容增量。 在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，為減小溫度誤差，應(yīng)選擇合在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，為減小溫度誤差，應(yīng)選擇合適的適的幾何尺寸、幾何尺寸、適當(dāng)?shù)倪m當(dāng)?shù)碾姌O材料與電介質(zhì)，外形結(jié)電極材料與電介質(zhì)，外形結(jié)構(gòu)構(gòu)。u 金屬電極材料金屬電極材料可選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金，也可采可選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金，也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀，這樣電極可以做得極薄。用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀，這樣電極可以做得極薄。u 電極支架電極支架選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定

38、性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等。如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等。u 電介質(zhì)電介質(zhì)采用空氣或云母等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)近采用空氣或云母等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零。似為零。u 盡量采用盡量采用差動(dòng)對稱結(jié)構(gòu)差動(dòng)對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以通過某些類型的測，這樣可以通過某些類型的測量電路量電路(如如電橋電橋)來減小溫度等誤差。來減小溫度等誤差。二、電容電場的邊緣效應(yīng)二、電容電場的邊緣效應(yīng) 理想條件下，平行板電容器的電場理想條件下，平行板電容器的電場均勻分布均勻分布于兩于兩極板所圍成的空間，這僅是

39、簡化電容量計(jì)算的一種假極板所圍成的空間，這僅是簡化電容量計(jì)算的一種假定。當(dāng)考慮電場的定。當(dāng)考慮電場的邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多。時(shí)，情況要復(fù)雜的多。 邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，聯(lián)一個(gè)附加電容，引起傳感器引起傳感器靈敏度下降靈敏度下降和和非線性增加非線性增加。 為了克服邊緣效應(yīng)，應(yīng)增大初始電容量為了克服邊緣效應(yīng)，應(yīng)增大初始電容量C0，即增，即增大極板面積，減小極板間距。此外，加裝大極板面積，減小極板間距。此外，加裝等位環(huán)等位環(huán)是消是消除除邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)的有效辦法。的有效辦法。 如圖示。除如圖示。除1、2兩極板外，又在極板兩極板外，又在極板2

40、的同一平面的同一平面內(nèi)加一個(gè)同心環(huán)面內(nèi)加一個(gè)同心環(huán)面3。2、3在電氣上相互絕緣，使用時(shí)在電氣上相互絕緣，使用時(shí)2和和3兩面間始終保持等電位。這就能使電極兩面間始終保持等電位。這就能使電極2的邊緣電力的邊緣電力線平直，電極線平直，電極1和和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)電場發(fā)生在等位環(huán)3外周，不影響傳感器兩極板間電場。外周，不影響傳感器兩極板間電場。均勻電場均勻電場1233邊緣電場邊緣電場圖圖3-26 加等位環(huán)消除邊緣效應(yīng)加等位環(huán)消除邊緣效應(yīng) 邊緣效應(yīng)引起邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距的非線性與變極距型電容式傳感器原型電容式傳感器原理上的非線性恰

41、好理上的非線性恰好相反，在一定程度相反，在一定程度上起了補(bǔ)償作用。上起了補(bǔ)償作用。三、寄生與分布電容的影響三、寄生與分布電容的影響l 傳感器電容值很小，若激勵(lì)頻率較低，則容抗很大，傳感器電容值很小，若激勵(lì)頻率較低，則容抗很大，對傳感器絕緣電阻要求很高；對傳感器絕緣電阻要求很高；l 傳感器極板與周圍物體的電容聯(lián)系，稱為傳感器極板與周圍物體的電容聯(lián)系，稱為寄生電容寄生電容。它不但改變了傳感器的電容量，而且由于傳感器本身它不但改變了傳感器的電容量，而且由于傳感器本身電容量很小，寄生電容極不穩(wěn)定，易導(dǎo)致傳感器特性電容量很小，寄生電容極不穩(wěn)定，易導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。不穩(wěn)定，產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

42、l 采用采用靜電屏蔽靜電屏蔽措施，將電容器極板放置在金屬殼體措施，將電容器極板放置在金屬殼體內(nèi)，并將殼體與大地相連；其電極引出線也必須用屏內(nèi)，并將殼體與大地相連；其電極引出線也必須用屏蔽線，屏蔽線外套要求接地良好。蔽線，屏蔽線外套要求接地良好。盡管如此，仍存在以下兩個(gè)問題：盡管如此，仍存在以下兩個(gè)問題： 屏蔽線本身電容量較大，每米最大可達(dá)幾百皮法，屏蔽線本身電容量較大，每米最大可達(dá)幾百皮法，最小有幾皮法。當(dāng)最小有幾皮法。當(dāng)屏蔽屏蔽線較長時(shí)，其本身電容量很大，線較長時(shí)，其本身電容量很大，往往大于傳感器的電容量，而且分布電容與傳感器電往往大于傳感器的電容量，而且分布電容與傳感器電容相并聯(lián)，使傳感器

43、電容相對變化量大為降低，導(dǎo)致容相并聯(lián)，使傳感器電容相對變化量大為降低，導(dǎo)致靈敏度顯著下降；靈敏度顯著下降； 電纜本身電容量由于放置位置和形狀不同而有較大電纜本身電容量由于放置位置和形狀不同而有較大變化，會(huì)造成傳感器特性不穩(wěn)定。變化，會(huì)造成傳感器特性不穩(wěn)定。處理方法處理方法： “驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù) 整體屏蔽法整體屏蔽法 集成化技術(shù)集成化技術(shù)1.“1.“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)技術(shù) 基本原理基本原理：電纜屏蔽層的電位跟蹤傳感器電容極：電纜屏蔽層的電位跟蹤傳感器電容極板電位，使二電位的幅值與相位均相同，從而消除電板電位，使二電位的幅值與相位均相同，從

44、而消除電纜分布電容影響。纜分布電容影響。 由于屏蔽層上有隨傳感器輸出信號變化而變化的由于屏蔽層上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”。這種技術(shù)可使電纜線。這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)長達(dá)1010m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。 傳感器與測量電路前置級間的引線為傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽雙屏蔽層電纜層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線( (即電纜芯線即電纜芯線) )通過通過1:11:1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。屏蔽層之間的電容。圖圖3-27 驅(qū)動(dòng)電纜

45、線路原理圖驅(qū)動(dòng)電纜線路原理圖（1） 外屏蔽層接地，外屏蔽層接地，用來防止外界電場用來防止外界電場的干擾。內(nèi)外屏蔽的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。放大器的負(fù)載。 該放大器是一個(gè)輸入阻抗要求無窮大、具有容性該放大器是一個(gè)輸入阻抗要求無窮大、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為負(fù)載、放大倍數(shù)為1（準(zhǔn)確度要求達(dá)（準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000）的同相）的同相（要求相移為零）放大器。因此技術(shù)上實(shí)現(xiàn)比較困難，（要求相移為零）放大器。因此技術(shù)上實(shí)現(xiàn)比較困難，電路復(fù)雜。該線路適用于電路復(fù)雜。該線路適用于Cx較大的傳感器。較大的傳感器。 可見：可見：圖圖3-28 驅(qū)動(dòng)電纜線路原理圖驅(qū)動(dòng)電纜線路原

46、理圖（2） 另一種電路如圖示。另一種電路如圖示。-Aa為驅(qū)動(dòng)電纜放大器，為驅(qū)動(dòng)電纜放大器，其輸入是其輸入是-A放大器的輸出。放大器的輸出。-Aa放大器的輸入電容放大器的輸入電容為為-A放大器的負(fù)載，因而無附加電容與放大器的負(fù)載，因而無附加電容與Cx并聯(lián)。并聯(lián)。傳感器電容傳感器電容Cx兩端電壓為兩端電壓為)1 ()(01AUAUUUUUxC 放大器放大器-Aa輸出電壓為輸出電壓為 UAAUAUaa0102 為實(shí)現(xiàn)電纜芯線與內(nèi)屏蔽線等電位，則為實(shí)現(xiàn)電纜芯線與內(nèi)屏蔽線等電位，則UCxU02，于是得到等電位的條件為：，于是得到等電位的條件為：AAUAAAUaa11)1 ( 由于該驅(qū)動(dòng)電纜放大器無任何附

47、加電容，因此適由于該驅(qū)動(dòng)電纜放大器無任何附加電容，因此適用于用于Cx很小情況下的檢測電路。很小情況下的檢測電路。 實(shí)際上，這是一種不完全的電纜實(shí)際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。選擇越大，精度越高。選擇足夠大的足夠大的A值可保證所需的測量精度。值可保證所需的測量精度。圖圖3-29 交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)C1C2CP1CP2Z3Z4-A2、整體屏蔽法、整體屏蔽法 圖中交流電橋所采用圖中交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在接地點(diǎn)選擇在Z3和和Z4中間，中間，使電纜

48、芯線與其屏蔽層之使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容間的寄生電容CP1和和CP2分分別與別與Z3和和Z4相并聯(lián)。如果相并聯(lián)。如果Z3和和Z4比比CP1和和CP2的容抗的容抗小得多，則寄生電容小得多，則寄生電容CP1和和CP2對電橋平衡狀態(tài)的影對電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。響就很小。 將電容式傳感器和轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用將電容式傳感器和轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來，同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)正確選取接地點(diǎn)可減小可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。寄生電容的影響和防止外界的干擾。 將傳感器與測量電路或其前置級集成在一個(gè)殼體將傳感器與測量電路或其前置級集成在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳

49、感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易小而且易固定不變固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但因電子元件，使儀器工作穩(wěn)定。但因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。 3、集成化技術(shù)、集成化技術(shù)四、防止和減小外界干擾四、防止和減小外界干擾 當(dāng)外界干擾當(dāng)外界干擾(如電磁場如電磁場)在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并輸送至測量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號出電壓并輸送至測量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號足夠大時(shí)，儀器無法正常工作。足夠大時(shí)，儀器無法正常工作。 此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電

50、壓差也是一種此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會(huì)帶來誤差和故障。干擾信號，也會(huì)帶來誤差和故障。u 屏蔽和接地。傳感器殼體、導(dǎo)線、測量電路前置級等。屏蔽和接地。傳感器殼體、導(dǎo)線、測量電路前置級等。u 增加原始電容量，降低容抗。增加原始電容量，降低容抗。u 導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列；若必須平行排列時(shí)，采用同軸屏蔽電纜線。角排列；若必須平行排列時(shí)，采用同軸屏蔽電纜線。u 盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。體或?qū)捰≈凭€。u 采用差動(dòng)式電容

51、傳感器，采用差動(dòng)式電容傳感器，減小非線性誤差，減小寄生減小非線性誤差，減小寄生電容的影響。電容的影響。 防止和減小干擾的措施防止和減小干擾的措施 3-4 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器不但廣泛地用于精確測量電容式傳感器不但廣泛地用于精確測量位移、厚位移、厚度、角度、振動(dòng)度、角度、振動(dòng)，還用于測量，還用于測量力、壓力、差壓、流量力、壓力、差壓、流量、成分、液位、成分、液位等參數(shù)。等參數(shù)。一、電容式差壓傳感器一、電容式差壓傳感器 電容式差壓傳感器具有構(gòu)造簡單、小型輕量、精電容式差壓傳感器具有構(gòu)造簡單、小型輕量、精度高度高(可達(dá)可達(dá)0.25)、互換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工、互換性

52、強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。業(yè)生產(chǎn)中。圖圖3-30 電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)圖電容式差壓變送器結(jié)構(gòu)圖 圖示為差動(dòng)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其中膜片為圖示為差動(dòng)電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其中膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。構(gòu)成差動(dòng)電容器。 感壓腔室內(nèi)充灌了溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性高的硅油感壓腔室內(nèi)充灌了溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性高的硅油作為密封液；作為密封液； 為獲得良好線性度，感壓膜片采用張緊式結(jié)構(gòu)；為獲得良好線性度，感壓膜片采用張緊式結(jié)構(gòu)； 輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號；輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般為動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般為0.215s。

53、變送器特點(diǎn)：變送器特點(diǎn)： 當(dāng)被測當(dāng)被測壓力壓力或或壓力差壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，兩個(gè)電容器的電容量一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容的兩個(gè)電容器的電容量一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流變化。變化。 測量原理：測量原理： 這種球這種球平面型電容量的變化值可用平面型電容量的變化值可用單元積分單元積分法法及及等效電容法等效電容法求得。求得。*性能分析：性能分析： 由等效原理可由等效原理可得得00CCCCCAAL 00CCCCCAAH 求出求出C0和和CA便可由上二式便可由上二式求得傳感器差動(dòng)

54、電容求得傳感器差動(dòng)電容CL和和CH。 如圖所示，如圖所示，C0為傳感器初為傳感器初始電容，始電容，CA為感壓膜片受壓為感壓膜片受壓后撓曲變形位置與感壓膜片初后撓曲變形位置與感壓膜片初始位置所形成的電容。始位置所形成的電容。圖圖3-31 差動(dòng)電容等效電路圖差動(dòng)電容等效電路圖 在忽略在忽略邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)情況下，可按情況下，可按單元積分法單元積分法求求出出C0和和CA。)2()(222RRRRRRr RR RrR22 圖圖3-32 球球平面型電容器平面型電容器由圖可知：由圖可知：l 按按單元積分法單元積分法求求C0 球面電極上寬度為球面電極上寬度為dr，長度為，長度為2r的的環(huán)形窄帶環(huán)形窄帶與與可

55、動(dòng)電極初始位置可動(dòng)電極初始位置的電容量為的電容量為RdrdrdCr 0002 RrR22brbrbrddRRrdRRrdrdrC00020002000ln22ln222 式中：式中：d0球球平面電容極板間最大間隙；平面電容極板間最大間隙； db球球平面電容極板間最小間隙；平面電容極板間最小間隙； R 球面電極的曲率半徑。球面電極的曲率半徑。)(ln8 . 100pFddRCbr 在被測差壓在被測差壓(PH- -PL)的作用下，感壓膜片的撓度的作用下，感壓膜片的撓度可近似寫為可近似寫為)(422raTPPyLH 式中：式中：T膜片周邊受的張緊力。膜片周邊受的張緊力。l 按按單元積分法單元積分法求

56、求CA 如圖如圖3- -32虛線所示，在撓曲球面上，寬度為虛線所示，在撓曲球面上，寬度為dr，長，長度為度為2r的環(huán)形窄帶與動(dòng)膜片初始位置間電容量為的環(huán)形窄帶與動(dòng)膜片初始位置間電容量為yrdrdCrA 2022200222200220ln4)(4)(42baaPPTraradTPPraTPPrdrCLHrbLHrbLHrA 故差動(dòng)電容故差動(dòng)電容CL和和CH可求出。該傳感器如配置可求出。該傳感器如配置二極二極管環(huán)形檢波電路管環(huán)形檢波電路，即可輸出，即可輸出(420)mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。標(biāo)準(zhǔn)電流信號。FFBLHFSCRURUPPRRKII0)( 表明輸出電表明輸出電流 與 差 壓流 與 差 壓(PH

57、-PL)呈線呈線性關(guān)系。性關(guān)系。二、二、 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖圖3-31 差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固 定 電 極 ；2絕 緣 墊 ；3質(zhì) 量 塊 ；4彈 簧 ；5輸 出 端 ；6殼 體 當(dāng)傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速當(dāng)傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個(gè)固定電運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個(gè)固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容間隙發(fā)生變化，一個(gè)增速度的位移。此位

58、移使兩電容間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器主要特點(diǎn)是電容式加速度傳感器主要特點(diǎn)是頻率響應(yīng)快頻率響應(yīng)快和和量量程大程大， 多采用多采用空氣空氣或或其它氣體其它氣體作阻尼物質(zhì)。作阻尼物質(zhì)。 電容測厚傳感器用來對金屬帶材在軋制過程中厚電容測厚傳感器用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測。度的檢測。 工作原理：工作原理：在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，積相等， 與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就與

59、帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極，來成為一個(gè)極， 而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，如果帶材的厚度發(fā)生變化， 將引起電將引起電容量的變化，容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來， 經(jīng)經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。過放大即可由電表指示測量結(jié)果。 三、差動(dòng)式電容測厚傳感器三、差動(dòng)式電容測厚傳感器圖圖 3-32 差動(dòng)式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖差動(dòng)式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 音 頻 信

60、號 發(fā) 生 器音 頻 放 大 器全 波 整 流 器差 動(dòng) 放 大 器C0C1C2RRCT（a）測振幅）測振幅（b）測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺）測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動(dòng)電容式傳感器被測軸電容式傳感器四、電容式位移傳感器應(yīng)用四、電容式位移傳感器應(yīng)用 圖圖 3-33 電容傳感器測量位移電容傳感器測量位移 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計(jì)顯示的頻則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為設(shè)齒數(shù)為z，頻率為，頻率為f，則轉(zhuǎn)速為則轉(zhuǎn)速為:min)/(60rzfn 電容式傳聲器電容式傳聲器五