第三章電容式傳感器習(xí)題解答

1、第三章 電容式傳感器習(xí)題3-1 電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？答：優(yōu)點(diǎn)：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；靈敏度高。如用比率變壓器電橋可測(cè)出電容，其相對(duì)變化量可以大致107。 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。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。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，因此電容式傳感器能承受很大的溫度變化

2、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不足：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，而且引起非線性輸出，甚至使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。 當(dāng)電容式傳感器用于變間隙原理進(jìn)行測(cè)量時(shí)具有非線性輸出特性。3-2 分布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。可以采取靜電屏蔽措施和電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)。3-3 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？答：采用可

3、以差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以使非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。34：答：驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是指?jìng)鞲衅髋c后邊轉(zhuǎn)換輸出電路間引線采用雙層屏蔽電纜，而且其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線（芯線）通過(guò)1：1放大器實(shí)現(xiàn)等電位，由于屏蔽電纜線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的信號(hào)電壓，所以稱之為“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。 1：1 內(nèi)屏蔽層 輸出電路 傳感器 它能有效地消除芯線與屏蔽層之間的寄生電容。其中，外屏蔽線則是用來(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)”的線路比較

4、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。動(dòng)3-5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、端依次借R1、R2、D1、D2對(duì)差動(dòng)C1、 C2充放電，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，而且具有線形輸出特性。此外調(diào)寬線路還具有如下特點(diǎn)：與二極管式線路相似，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

5、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)量線路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅交流電源易于做到。3-6 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。3-7 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。3-8 如圖3-6所示平板式電容位移傳感器。已知：極板尺寸，間隙，極板間介質(zhì)為空氣。求該傳感器靜態(tài)靈敏度；

6、若極板沿方向移動(dòng)2mm，求此時(shí)電容量。解：由(3-4)式有3-9 如圖3-7所示差動(dòng)式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)，試求電容值和。當(dāng)供電電源頻率為60kHz時(shí)，求它們的容抗值。解：因?yàn)?-10 如圖3-8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，極板直徑，采用電橋電路作為其轉(zhuǎn)換電路，電容傳感器的兩個(gè)電容分別接的電阻后作為電橋的兩個(gè)橋臂，并接有效值為的電源電壓，其頻率為，電橋的另兩橋臂為相同的固定電容。試求該電容傳感器的電壓靈敏度。若時(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

7、電容變化引起的電壓變化。即3-11解：（1）無(wú)云母為空氣部分與介質(zhì)部分串聯(lián),即（2）3-12解：313：解：由312式知3-14解：零點(diǎn)遷移電容應(yīng)該是指容器中全部為氣體時(shí)的電容值即滿量程電容值指Cmax全部為液體時(shí)的電容值全部為氣體時(shí)的電容值即315解： 將350式CL和3-51式CH代入?yún)⒖紙D322和式357有316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eAB=USC0.低通濾波器若C1C2，則由320式又因?yàn)槭遣顒?dòng)輸出，所以由2-23式也可以求出同樣的結(jié)果。低通濾波器317：解：當(dāng)電源為正半周時(shí)D1、D3導(dǎo)通，D2、D2截止， E2D1C對(duì)CH 充電 通過(guò)CE的電荷為：q1C0（E2E1）CEBD3D對(duì)C0充電； 電源在負(fù)半周時(shí)，D2、D2導(dǎo)通, D1、D3截止， CHCD2BCEA 放電 通過(guò)CE的電荷為：q2CH（E2E1）C0DD4A 放電所以在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)CE的凈電荷量