傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ) 電容式傳感器

傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)電容式傳感器第1頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器第2頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。

第3頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式位移傳感器的位移測量范圍在1um—10mm之間，變極距式電容傳感器的測量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測量精度較高，其分辨率可達(dá)0.3um。第4頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月S——極板的遮蓋面積，單位為m2；ε——極板間介質(zhì)的介電系數(shù)；δ——兩平行極板間的距離，單位為m；ε0——真空的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；εr

——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，對于空氣介質(zhì)，εr

≈1。3.1電容式傳感器的工作原理及特性3.1.1基本工作原理平行極板電容器的電容量為：第5頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2電容式傳感器的類型和特性1.變極距型電容傳感器第6頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月δ極板1極板2圖3-1變極距型電容傳感器△δ△Cδδ00CC0圖3-2C-δ特性曲線第7頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月下極板上移：設(shè)動片未移動時極板間距為δ0初始電容量為：電容的相對變化量為：第8頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月略去高次項，得：所以變極距型電容傳感器在設(shè)計時要考慮滿足Δδ<<δ0的條件。且一般Δδ只能在極小的范圍內(nèi)變化。第9頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性誤差與Δδ/δ0有關(guān)。其表達(dá)式為：傳感器的靈敏度為：第10頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月差動式變間隙型電容傳感器動極板上移：初始位置時，動極板定極板定極板C1

δ1C2

δ2第11頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月提高一倍減小略去高次項：電容量的相對變化為：非線性誤差為：靈敏度：第13頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月角位移變面積型2.變面積型電容傳感器第14頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月顯然：電容Cθ

與角位移θ呈線性關(guān)系。θ動片定片（a）角位移式第15頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月板狀線位移變面積型第16頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月線性當(dāng)其中一個極板發(fā)生x位移后，改變了兩極板間的遮蓋面積S

，電容量C同樣隨之變化。b（b）直線位移式aδx第17頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月同心圓筒形線位移電容式傳感器第18頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月D0D1La圓柱形電容式線位移傳感器初始電容C0為：當(dāng)覆蓋長度變化時，電容量也隨之變化。當(dāng)內(nèi)筒上移為a

時，內(nèi)外筒間的電容C1為：第19頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)厚度傳感器δx3.變介電常數(shù)型電容傳感器(a)單組式平板形厚度傳感器圖3-6厚度傳感器的等效電路CC1C2C3設(shè)固定極板長度為a、寬度為b、兩極板間的距離為δ；被測物的厚度和它的介電常數(shù)分別為δx和ε,則第20頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月ε1CBld2d1ε2xCA(b)線位移傳感器圖3-7線位移傳感器等效電路CACBC單組式平板形線位移傳感器設(shè)極板寬度為b，板間無介質(zhì)ε2時，傳感器的電容量為：第21頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月插入介質(zhì)ε2后的電容量為：所以該式表明：電容量C與位移x成線性關(guān)系。第22頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)液位傳感器2r22r1hhx圖3-8液位傳感器的等效電路C2C1C圓筒式液位傳感器其中第23頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月例3-1某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的εr＝2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)傳感器用在該儲存灌內(nèi)時的靈敏度。解：因為所以第24頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月同理，當(dāng)被測液位高度最大，即hx=h=1.2m時傳感器的電容量最大。第25頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-5變面積型電容傳感器原理圖儲存灌的容積為：故傳感器的靈敏度為：第26頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2電容式傳感器的測量電路3.2.1電容傳感器的等效電路圖3-9電容傳感器等效電路RP（a）CRLC（b）第27頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2電容傳感器的測量電路1.電橋電路圖3-10電容傳感器構(gòu)成的交流電橋UCr1C（a）RRUSCCr1R（b）RCr2USCU第28頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（c）USCUCr1Cr2CC（d）UCr1Cr2USCLL圖3-10電容傳感器構(gòu)成的交流電橋另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。第29頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-11變壓器式交流電橋Cr1Cr2USCU變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。差動式電容傳感器接入變壓器式電橋，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時，對任何類型的電容式傳感器，電橋輸出電壓與輸入位移均成線性關(guān)系。第30頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月Cr1Cr2USC圖3-12電橋測量電路放大振蕩器相敏檢波濾波器在要求精度很高的場合，可采用自動平衡電橋；傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，第31頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.運算放大器電路圖3-13運算放大器測量電路CxC0-AUUSCIiIxICx為傳感器，C0為固定電容。當(dāng)運算放大器輸入阻抗很高、增益很大時，可認(rèn)為運算放大器輸入電流為零，根據(jù)克希霍夫定律，有：第32頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月如果傳感器是一只平行板電容，則：代入（3-20）式得：可見運算放大器的輸出電壓與動極板的板間距離δ成正比。運算放大器電路解決了單個變極距型電容傳感器的非線性問題。上式是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。第33頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3.二極管雙T形電路圖3-14二極管雙T形電路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時間充電至UE，電容C2的電壓初始值為UE，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過RL的放電電流為i2，流過RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++第34頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1向負(fù)載電阻RL供電，與此同時，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過RL的放電電流為i2。流過RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++第35頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流i2如下：在時,電流i2的平均值I2可寫成第36頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月電容C1上的平均電流為:故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)RL已知時，為常數(shù)，設(shè)為K，則輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)。第37頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月雙T電路的特點：①線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；④適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。第38頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月又稱差動脈沖調(diào)寬電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。圖3-16差動脈沖調(diào)寬電路R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A14、差動脈寬調(diào)制電路第39頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平(U1)，端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過R1對C1充電；當(dāng)F點電位UF升到與參考電壓Ur

相等時，比較器A1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平，端為高電平(U1)。此時，電容C1通過二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)G點電位UG與參考電壓Ur相等時，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，此時，電容C2通過二極管D2迅速放電至零，如此交替激勵。第40頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月顯然，電路充放電的時間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2的調(diào)制。當(dāng)C1=C2

時，電路各點的電壓波形如圖3-17(a)所示，Q和兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)差動電容C1和C2的值不相等，例如C1＞C2時，C1和C2充放電時間常數(shù)發(fā)生變化，電路中各點的電壓波形如圖3-17(b)所示。第41頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖U0第42頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)電路知識可知：UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為：第43頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月A、B兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點電壓平均值UA與UB之差，設(shè)R1＝R2＝R，則

說明差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。

第44頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月對于差動式變極距型電容傳感器：對于差動式變面積型電容傳感器來說，設(shè)電容器初始有效面積為S0，變化量為ΔS，則濾波器輸出為：第45頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。第46頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月5、調(diào)頻電路振蕩回路固有電容傳感器電容引線分布電容圖3-18調(diào)頻式測量電路原理框圖CxΔf振蕩器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鑒頻器第47頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月被測信號調(diào)頻信號鑒頻信號調(diào)頻電路的優(yōu)點：

抗干擾能力強(qiáng)特性穩(wěn)定高電平直流信號易于接口CxΔf振蕩器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鑒頻器第48頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3電容式傳感器的特點及設(shè)計與應(yīng)用中存在的問題3.3.1電容傳感器的特點1．電容式傳感器的優(yōu)點

（1）溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸其他因素(因本身發(fā)熱極小)影響甚微。第49頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進(jìn)行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。第50頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3．動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。第51頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月4．可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)

當(dāng)被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。第52頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高。第53頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電容式傳感器的缺點

(1)輸出阻抗高，負(fù)載能力差

電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達(dá)106～108Ω。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來不便。第54頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。

高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。第55頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)寄生電容影響大傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l～2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大?！凹纳娙荨苯档土藗鞲衅鞯撵`敏度，且是隨機(jī)變化的，使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求第56頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)輸出特性非線性

變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。

第57頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2設(shè)計與應(yīng)用中存在的問題電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點是與其正確設(shè)計、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開的。在設(shè)計傳感器的過程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。第58頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月1．絕緣材料的絕緣性能

溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電容量,產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。

第59頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應(yīng)極為有利。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮?？稍陔姌O表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)。第60頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，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做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能，可以考慮選用。第61頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)（也不受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償，但無法完全消除。

第62頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月在可能的情況下,傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu),這樣可以通過某些類型的測量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。選用50kHz至幾MHz作為電容傳感器的電源頻率，以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。殼體的剛性要好，以免安裝時變形。第63頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。

電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。+-圖3-19邊緣效應(yīng)2．消除和減小邊緣效應(yīng)第64頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2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)3外周不影響傳感器兩極板間電場?？稍诮Y(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3+-圖3-20帶有等位環(huán)的平板式電容器傳感器電極1電極2第65頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度上起了補(bǔ)償作用。第66頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須消除和減小它。3．消除和減小寄生電容的影響第67頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運算放大器法；（6）整體屏蔽法第68頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）增加傳感器原始電容值

采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.2~0.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在10-3~103pF范圍內(nèi)，相對值變化在10-6~1范圍內(nèi)。第69頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）集成化

將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。第70頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。（3）“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。第71頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-21“驅(qū)動電纜”技術(shù)1：1+測量電路外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器-傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線(即電纜芯線)通過增益為1的放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。第72頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百μF)時，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達(dá)10m，儀器仍能正常工作。第73頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動電纜”技術(shù)對1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時，也能正常工作。第74頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-22運算放大器式法-AuoCCx∑～（4）運算放大器法第75頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月利用運算放大器的虛地減小引線電纜寄生電容CP。電容傳感器的一個電極經(jīng)電纜芯線接運算放大器的虛地Σ點,電纜的屏蔽層接儀器地,這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1＋A)，大大減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接儀器地，對芯線不起作用。第76頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的另一電極接大地，用來防止外電場的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。選擇足夠大的A值可保證所需的測量精度。第77頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。（5）整體屏蔽法第78頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023