傳感器原理與應(yīng)用習(xí)題第4章電容式傳感器

1、傳感器原理與應(yīng)用及傳感器與測(cè)量技術(shù)習(xí)題集與部分參考答案教材：傳感器技術(shù)（第3版）賈伯年主編，及其他參考書(shū)第4章 電容式傳感器4-1 電容式傳感器可分為哪幾類(lèi)？各自的主要用途是什么？答：（1）變極距型電容傳感器：在微位移檢測(cè)中應(yīng)用最廣。（2）變面積型電容傳感器：適合測(cè)量較大的直線(xiàn)位移和角位移。（3）變介質(zhì)型電容傳感器：可用于非導(dǎo)電散材物料的物位測(cè)量。4-2 試述變極距型電容傳感器產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差的原因及在設(shè)計(jì)中如何減小這一誤差？答：原因：靈敏度S與初始極距的平方成反比，用減少的辦法來(lái)提高靈敏度，但的減小會(huì)導(dǎo)致非線(xiàn)性誤差增大。采用差動(dòng)式，可比單極式靈敏度提高一倍，且非線(xiàn)性誤差大為減小。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)

2、稱(chēng)性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。4-3 為什么電容式傳感器的絕緣、屏蔽和電纜問(wèn)題特別重要？設(shè)計(jì)和應(yīng)用中如何解決這些問(wèn)題？答：電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小，屬于小功率、高阻抗器，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性，甚至?xí)蜎](méi)沒(méi)有用信號(hào)而不能使用。解決：驅(qū)動(dòng)電纜法、整體屏蔽法、采用組合式與集成技術(shù)。4-4 電容式傳感器的測(cè)量電路主要有哪幾種？各自的目的及特點(diǎn)是什么？使用這些測(cè)量電路時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題？4-5 為什么高頻工作的電容式傳感器連接電纜的長(zhǎng)度不能任意變動(dòng)？答：因?yàn)?/p>

3、連接電纜的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器的分布電容、等效電感都會(huì)發(fā)生變化，會(huì)使等效電容等參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致了傳感器的使用條件與標(biāo)定條件發(fā)生了改變，從而改變了傳感器的輸入輸出特性。4-6 簡(jiǎn)述電容測(cè)厚儀的工作原理及測(cè)試步驟。4-7 試計(jì)算圖P4-1所示各電容傳感元件的總電容表達(dá)式。4-8如圖P4-2所示，在壓力比指示系統(tǒng)中采用差動(dòng)式變極距電容傳感器，已知原始極距0.25mm，極板直徑D38.2mm，采用電橋電路作為其轉(zhuǎn)換電路，電容傳感器的兩個(gè)電容分別接R5.1k的電阻后作為電橋的兩個(gè)橋臂，并接有效值為U160V的電源電壓，其頻率為f400Hz，電橋的另兩橋臂為相同的固定電容C0.001F。試求該電容傳感

4、器的電壓靈敏度。若10m時(shí)，求輸出電壓有效值。解：等效電路為：，從結(jié)果看，本定義的電壓靈敏度是單位電容變化引起的電壓變化。即所以4-9 變間隙（極距）式電容傳感元件如圖P4-3所示。若初始極板距離=1mm，當(dāng)電容C的線(xiàn)性度規(guī)定分別為0.1%、1.0%、2.0%時(shí)，求允許的間隙最大變化量=？4-10 有一臺(tái)變極距非接觸式電容測(cè)微儀，其極板間的極限半徑r=4mm。假設(shè)與被測(cè)工件的初始間隙=0.3mm，試求：（1）若極板與工件的間隙變化量時(shí)，電容變化量為多少？（2）若測(cè)量電路的靈敏度K0=100mV/pF，則在時(shí)的輸出電壓為多少？4-11 差動(dòng)非接觸式電容位移傳感器如圖P4-4所示，由四塊置于空氣中

5、的平行平板組成。其中極板A、C和D是固定的，極板B可如圖示移動(dòng)，其厚度為t，并距兩邊固定極板的距離為，極板B、C和D的長(zhǎng)度為l，極板A的長(zhǎng)度為2l。所有極板的寬度均為b，極板C與D之間的間隙以及邊緣效應(yīng)可以忽略。試導(dǎo)出極板B從中點(diǎn)移動(dòng)時(shí)電容CAC和CAD的表達(dá)式，x=0為對(duì)稱(chēng)位置。4-12 圖4-5所示為油量表中的電容傳感器簡(jiǎn)圖，其中1、2為電容傳感元件的同心圓筒（電極），3為箱體。已知：R1=12mm，R2=15mm；油箱高度H=2m，汽油的介電常數(shù)=2.1。求：同心圓筒電容傳感器在空箱和注滿(mǎn)汽油時(shí)的電容量。4-13 圖P4-6所示為某差動(dòng)電容傳感器的實(shí)用電路原理圖。已知C1、C2為變間隙式

6、差動(dòng)電容，、為濾波電容，其電容值遠(yuǎn)大于C1、C2；U為恒流電源，在工作中保證I0R=常數(shù)，測(cè)量電路的輸出電壓為U0。試推導(dǎo)輸入位移與輸出電壓U0間的關(guān)系式，并分析之。*4-14 有一只變極距電容傳感元件，兩極板重疊有效面積為8×10-4m2，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)是1.0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。答：由變極距型電容傳感器知識(shí)可知，其位移靈敏度，由已知條件可知=1，代入數(shù)據(jù)可以求得：1。*4-15 簡(jiǎn)述電容式傳感器的工作原理。答： 有物理知識(shí)可知，物體間的電容量，電容式傳感器的基本原理就是基于物體間的電容量與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。也即當(dāng)被測(cè)參數(shù)變

7、化使得上式中的S、或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化C，這就組成了電容式傳感器。*4-16 采用運(yùn)算放大器作為電容傳感器的測(cè)量電路，其輸出特性是否為線(xiàn)性？為什么？答：采用運(yùn)算放大器作為電容傳感器的測(cè)量電路時(shí)，其輸出/輸入特性關(guān)系為：。可見(jiàn)運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離成線(xiàn)性關(guān)系。因此，運(yùn)算放大器式電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線(xiàn)性問(wèn)題。但要求輸入阻抗Zi及放大倍數(shù)足夠大。同時(shí)，為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。4-17 電容傳感器有哪些類(lèi)型？4-18 敘述電容傳感器的工作原理

8、，輸出特性。4-19 為什么電感式和電容式傳感器的結(jié)構(gòu)多采用差動(dòng)形式，差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是什么？4-20 電容傳感器的測(cè)量電路有哪些？敘述二極管雙T型交流電橋工作原理。4-21 說(shuō)明差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理。4-22 已知變面積型電容傳感器的兩極板間距離為d=10mm;=50F/m;兩極板幾何尺寸一樣為30mm*20mm*5mm（長(zhǎng)*寬*厚）;在外力作用下動(dòng)極板在原位置向外移動(dòng)10mm（寬）；試求C=？。4-23 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器系統(tǒng)的工作原理？4-24 電容傳感器的雙T電橋測(cè)量電路，已知R1=R2=R=40K，RL=20K，E=10V，f=1MHz，C1=10pF， C1=1

9、Pf。求UL的表達(dá)試，帶入?yún)?shù)求UL的值。4-25 推導(dǎo)差動(dòng)式電容傳感器的靈敏度，并與單極式電容傳感器相比較。答：差動(dòng)式電容傳感器的靈敏度比單極式提高一倍，而且非線(xiàn)性也大為減小。4-26 根據(jù)電容傳感器的工作原理說(shuō)明它的分類(lèi)，電容傳感器能夠測(cè)量哪些物理參量？答：原理：由物理學(xué)知，兩個(gè)平行金屬極板組成的電容器。如果不考慮其邊緣效應(yīng)，其電容為C=S/D 式中為兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩個(gè)極板對(duì)有效面積，D為兩個(gè)極板間的距離。由此式知，改變電容C的方法有三：其一為改變介質(zhì)的介電常數(shù)；其二為改變形成電容的有效面積；其三為改變各極板間的距離；而得到的電參數(shù)的輸出為電容值的增量這就組成了電容式傳感器

10、。類(lèi)型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器。電容傳感器的應(yīng)用：可用來(lái)測(cè)量直線(xiàn)位移、角位移、振動(dòng)振幅。尤其適合測(cè)溫、高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。4-27 有一個(gè)直徑為2m、高5m的鐵桶，往桶內(nèi)連續(xù)注水，當(dāng)注水?dāng)?shù)量達(dá)到桶容量的80%時(shí)就應(yīng)當(dāng)停止，試分析用應(yīng)變片式或電容式傳感器系統(tǒng)來(lái)解決該問(wèn)題的途徑和方法。答：可選用差分式電容壓力傳感器，通過(guò)測(cè)量筒內(nèi)水的重力，來(lái)控制注水?dāng)?shù)量?；蛘哌x用應(yīng)變片式液位傳感器。4-28 總結(jié)電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，

11、主要應(yīng)用場(chǎng)合以及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題。答：優(yōu)點(diǎn)：a溫度穩(wěn)定性好b結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)c動(dòng)響應(yīng)好缺點(diǎn)：a可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)b輸出阻抗高、負(fù)載能力差c寄生電容影響大輸出特性非線(xiàn)性：電容傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣、非接觸測(cè)量的一種傳感器，在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測(cè)量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。使用時(shí)要注意保護(hù)絕緣材料的的絕緣性能；消除和減小邊緣效應(yīng)；消除和減小寄生電容的影響；防止和減小外界的干擾。4-29 試推導(dǎo)圖F1-8所示變電介質(zhì)電容式位移傳感器的特性方程C=f(x)。設(shè)真空的介電系數(shù)為0, 21 ，以及極板寬度為W。其他參數(shù)如圖F1-8所示。解：4-30

12、 在上題中，設(shè)=d=1mm，極板為正方形（邊長(zhǎng)50mm）。1 =1,2=4試在x=0到50mm范圍內(nèi)，輸出磁位移傳感器的特性曲線(xiàn)，并給以適當(dāng)說(shuō)明。4-31 簡(jiǎn)述電容式傳感器用差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的工作原理及特點(diǎn)。答：工作原理：假設(shè)傳感器處于初始狀態(tài)，即Cx1 = Cx2 = C0,且A點(diǎn)為高電平，即Ua=U; 而B(niǎo)點(diǎn)為低電平，即Ub=0差分脈沖調(diào)寬型電路的特點(diǎn)就在于它的線(xiàn)性變換特性。4-32 電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？答：優(yōu)點(diǎn)：（1）測(cè)量范圍大。金屬應(yīng)變絲由于應(yīng)變極限的限制，R/R一般低于1%，而半導(dǎo)體應(yīng)變片可達(dá)20%，電容傳感器電容的相對(duì)變化量可大于100%；（2）靈敏度高。如用比率變壓器電

13、橋可測(cè)出電容，其相對(duì)變化量可以大致10-7；（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。由于電容式傳感器可動(dòng)部分質(zhì)量很小，因此其固有頻率很高，適用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量；（4）機(jī)械損失小。電容式傳感器電極間吸引力十分微小，又無(wú)摩擦存在，其自然熱效應(yīng)甚微，從而保證傳感器具有較高的精度；（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器一般用金屬作電極，以無(wú)機(jī)材料（如玻璃、石英、陶瓷等）作絕緣支承，因此電容傳感器能承受很大的溫度變化和各種形式的強(qiáng)輻射作用，適合于惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器有如下缺點(diǎn)：（1）寄生電容影響較大。寄生電容主要指連接電容極板的導(dǎo)線(xiàn)電容和傳感器本身的泄漏電容。寄生電容的存在不但降低了測(cè)量靈敏度，而且引起非線(xiàn)性輸出

14、，甚至使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。（2）當(dāng)電容式傳感器用于變間隙原理進(jìn)行測(cè)量時(shí)具有非線(xiàn)性輸出特性。4-33 健在和寄生電容的存在對(duì)電容傳感器有什么影響？一般采取哪些措施可以減小其影響。答：改變傳感器總的電容量，甚至有時(shí)遠(yuǎn)大于應(yīng)該傳遞的信號(hào)引起的電容的變化；使傳感器電容變的不穩(wěn)定，易隨外界因素的變化而變化?？梢圆扇§o電屏蔽措施和電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)。4-34 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線(xiàn)性？答：采用可以差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以使非線(xiàn)性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。4-35 什么叫驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)？答：驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是指?jìng)鞲衅髋c后邊轉(zhuǎn)換輸出電路間引線(xiàn)采用雙層屏蔽電纜，而且其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(xiàn)（芯線(xiàn)）通過(guò)1:1放大器

15、實(shí)現(xiàn)等電位，由于屏蔽電纜上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的信號(hào)電壓，所以稱(chēng)之為“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。它能有效地消除芯線(xiàn)與屏蔽層之間的寄生電容。其中，外屏蔽線(xiàn)則是用來(lái)接地以防止其他外部電場(chǎng)干擾，起到一般屏蔽層的作用。內(nèi)、外屏蔽層之間仍存在寄生電容則成為1:1放大器的負(fù)載，所以，該1:1放大器是一個(gè)具有極高輸入阻抗（同相輸入）、放大倍數(shù)為1、具有容性負(fù)載的同性放大器。這種“驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)”的線(xiàn)路比較復(fù)雜，要求也比較高，但消除寄生電容的影響極好，它在傳感器輸出電容變化只有1pF時(shí)仍能正常識(shí)別、工作。4-36 答：差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)出發(fā)器的Q端、/Q端依次借R1、R2、D1、D2對(duì)差動(dòng)C1、C2充

16、放電，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的方波脈沖。差動(dòng)電容的變化使充電時(shí)間不同，從而使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的方波脈沖寬度不同。因此，A、B兩點(diǎn)間輸出直流電壓USC也不同，而且具有線(xiàn)形輸出特性。此外調(diào)寬線(xiàn)路還具有如下特點(diǎn)：與二極管式線(xiàn)路相似，不需要附加解調(diào)器即能獲得直流輸出；輸出信號(hào)一般為100kHz-1MHz的矩形波，所以直流輸出只需低通濾波器簡(jiǎn)單地引出。由于低通濾波器的作用，對(duì)輸出波形純度要求不高，只需要一電壓穩(wěn)定度較高的直流電源，這比其他測(cè)量線(xiàn)路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅交流電源易于做到。4-37 球-平面型電容式差壓變送器在結(jié)構(gòu)上有何特點(diǎn)？答：利用可動(dòng)的中央平面金屬板

17、與兩個(gè)固定的半球形狀的上下電極構(gòu)成差動(dòng)式電容傳感器。4-38 為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器其連接電纜不能任意變化？答：因?yàn)檫B接電纜的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器的分布電容、等效電感都會(huì)發(fā)生變化，會(huì)使等效電容等參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致了傳感器的使用條件與條件發(fā)生了改變，從而改變了傳感器的輸入輸出特性。4-39 如圖3-6所示平板式電容位移傳感器。已知：極板尺寸a=b=4mm，間隙d0=0.5mm，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；若極板沿x方向移動(dòng)2mm，求此時(shí)電容量。解：4-40 如圖所示差動(dòng)同心圓筒電容傳感器，其可動(dòng)極筒外徑為9.8mm。定極筒內(nèi)徑為10mm，上下遮蓋長(zhǎng)度各為1mm時(shí)，試求電容值C1和C2。當(dāng)供電電源頻率為60kHz時(shí)，求它們的容抗值。解：因?yàn)?-41解：（）無(wú)云母為空氣部分與介質(zhì)部分串聯(lián)，即（）4-42解：4-43解：由3-12式知4-44解：零點(diǎn)遷移電容應(yīng)該是指容器中全部為氣體時(shí)的電容值，即滿(mǎn)量程電容值指全部為液體時(shí)的電容值全部為氣體時(shí)的電容值，即4-45解：參考相應(yīng)的圖和式子有因?yàn)樗?-46解：信號(hào)為正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，負(fù)半周時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，等效電路如圖1。若C1C2，則若C1C2，則，知又因?yàn)槭遣顒?dòng)輸出，所以由其它式也可以求出同樣的結(jié)果。4-47解：當(dāng)電源為正半周