杭電傳感器原理 期末復(fù)習(xí)

測(cè)量概述測(cè)量誤差（傳感器、環(huán)境、測(cè)量方法等導(dǎo)致）按誤差表示方法分：

絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差（注意引用誤差定義，定義了儀器的等級(jí)）、基本誤差、附加誤差、容許誤差按誤差性質(zhì)分：

隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差傳感器理論基礎(chǔ)1.傳感器定義2.傳感器分類(lèi)3.傳感器的應(yīng)用4.傳感器一般特性5.傳感器標(biāo)定34567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424647、4849半導(dǎo)體應(yīng)變和金屬應(yīng)變對(duì)比特點(diǎn)和應(yīng)用中存在的問(wèn)題1.2第5章電容式傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)和特性5.15.2測(cè)量電路5.3電容式傳感器及其應(yīng)用

5.4第5章電容式傳感器圖5.1為這種傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的εr和A為常數(shù)，初始極距為δ0，由式(5-1)可知其初始電容量C0為(5-2)5.1.1變極距型電容傳感器

圖5.1變極距型電容傳感器原理圖當(dāng)動(dòng)極端板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使δ0減小Δδ0時(shí)，電容量增大ΔC則有

(5-3)

可見(jiàn)，傳感器輸出特性C＝f(δ)是非線(xiàn)性的，如圖5-2所示。電容相對(duì)變化量為

(5-4)如果滿(mǎn)足條件(Δδ0/δ0)<<1，式(4-4)可按級(jí)數(shù)展開(kāi)成

(5-5)第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器略去高次(非線(xiàn)性)項(xiàng)，可得近似的線(xiàn)性關(guān)系和靈敏度S分別為

和

如果考慮式(5-5)中的線(xiàn)性項(xiàng)及二次項(xiàng)，則

(5-6)(5-7)(5-8)式(5-6)的特性如圖5.3中的直線(xiàn)1，而式(5-8)的特性如曲線(xiàn)2。因此，以式5-6作為傳感器的特性使用時(shí)，其相對(duì)非線(xiàn)性誤差ef為第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器由上討論可知：(1)變極距型電容傳感器只有在|Δδ0/δ0|很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，才有近似的線(xiàn)性輸出；(2)靈敏度S與初始極距δ0的平方成反比，故可用減少δ0的辦法來(lái)提高靈敏度。例如在電容式壓力傳感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之間。由于變極距型的分辨力極高，可測(cè)小至0.01μm的線(xiàn)位移，故在微位移檢測(cè)中應(yīng)用最廣。(5-9)第5章電容式傳感器由式(5-9)可見(jiàn),δ0的減小會(huì)導(dǎo)致非線(xiàn)性誤差增大；δ0過(guò)小還可能引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)作介質(zhì)，如圖5.4所示。設(shè)兩種介質(zhì)的相對(duì)介電質(zhì)常數(shù)為εr1(空氣：εr1＝1)、εr2，相應(yīng)的介質(zhì)厚度為δ1、δ2，則有第5章電容式傳感器(5-10)圖5.5所示為差動(dòng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)極板置于兩定極板之間。初始位置時(shí)，δ1＝δ2＝δ0，兩邊初始電容相等。當(dāng)動(dòng)極板向上有位移Δδ時(shí)，兩邊極距為δ1＝δ0-Δδ，δ2＝δ0+Δδ；

兩組電容一增一減,由式(5-4)和式(5-5)可得電容總的相對(duì)變化量為(5-11)第5章電容式傳感器略去高次項(xiàng)，可得近似的線(xiàn)性關(guān)系(5-12)相對(duì)非線(xiàn)性誤差ef′為(5-13)上式與式(5-6)及式(5-9)相比可知，差動(dòng)式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)稱(chēng)性，它還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。2.缺點(diǎn)Ⅰ.輸出阻抗高，負(fù)載能力差電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，其值只有幾個(gè)皮法，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(shí)，輸出阻抗高達(dá)108～106Ω。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)極大的不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周?chē)沫h(huán)境如濕度、清潔度等。第5章電容式傳感器

若采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻的復(fù)雜，且寄生電容影響大，不易保證工作十分穩(wěn)定。Ⅱ.寄生電容影響大電容式傳感器的初始電容量小，而連接傳感器和電子線(xiàn)路的引線(xiàn)電纜電容（1～2m導(dǎo)線(xiàn)可達(dá)800pF）、電子線(xiàn)路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等所謂“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都有要求。第5章電容式傳感器變化，從而引起傳感器有效靈敏度的改變

在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。2.邊緣效應(yīng)以上分析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響。實(shí)際上當(dāng)極板厚度h與極距δ之比相對(duì)較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時(shí)，對(duì)極板半徑為r的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算：(5-21)(5-22)第5章電容式傳感器(5-23)

邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線(xiàn)性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖5.10所示。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器4.寄生電容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(幾pF到幾十pF)，屬于小功率、高阻抗器件，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)(見(jiàn)圖5.9)，嚴(yán)重影響感器的輸出特性，甚至?xí)蜎](méi)有用信號(hào)而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)鍵。⑴．驅(qū)動(dòng)電纜法它實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。如圖5.11所示：在電容傳感器與測(cè)量電路的前置級(jí)之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為1的驅(qū)動(dòng)放大器，(接線(xiàn)如圖示)。第5章電容式傳感器

這種接線(xiàn)法使內(nèi)屏蔽與芯線(xiàn)等電位，消除了芯線(xiàn)對(duì)內(nèi)屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響；而內(nèi)、外層屏蔽之間的電容變成了驅(qū)動(dòng)放大器的負(fù)載。因此驅(qū)動(dòng)放大器是一個(gè)輸入阻抗很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難處是，要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸出與輸入的相移為零。為此有人提出，用運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)法取代上述方法。圖5.11驅(qū)動(dòng)電纜法原理圖⑵.整體屏蔽法以差動(dòng)電容傳感器Cx1、Cx2配用電橋測(cè)量電路為例，如圖5.12所示；U為電源電壓，K為不平衡電橋的指示放大器。所謂整體屏蔽是將整個(gè)電橋(包括電源、電纜等)統(tǒng)一屏蔽起來(lái)；其關(guān)鍵在于正確選取接地點(diǎn)。本例中接地點(diǎn)選在兩平衡電阻R3、R4橋臂中間，與整體屏蔽共地。圖5.12整體屏蔽法原理圖第5章電容式傳感器

這樣傳感器公用極板與屏蔽之間的寄生電容C1同測(cè)量放大器的輸入阻抗相并聯(lián)，從而可將C1歸算到放大器的輸入電容中去。由于測(cè)量放大器的輸入阻抗應(yīng)具有極大的值，C1的并聯(lián)也是不希望的,但它只是影響靈敏度而已。另兩個(gè)寄生電容C3及C4是并在橋臂R3及R4上，這會(huì)影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但并不妨礙電橋的正確工作。因此寄生參數(shù)對(duì)傳感器電容的影響基本上被消除。整體

屏蔽法是一種較好的方法；但將使總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。⑶.采用組合式與集成技術(shù)

一種方法是將測(cè)量電路的前置級(jí)或全部裝在緊靠傳感器處，縮短電纜；另一種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，將全部測(cè)量電路組合在傳感器殼體內(nèi)；第5章電容式傳感器更進(jìn)一步就是利用集成工藝，將傳感器與調(diào)理等電路集成于同一芯片，構(gòu)成集成電容式傳感器。5.溫度影響環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對(duì)被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個(gè)方面：⑴.溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響

電容傳感器由于極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線(xiàn)脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。第5章電容式傳感器

隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成技術(shù)的發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷地得到克服。電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途地傳感器。5.2.2應(yīng)用中存在的問(wèn)題1.等效電路

上節(jié)對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時(shí)，其等效電路如圖5.9所示。第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器

圖中C為傳感器電容，Rp為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗；Rs為高濕、高溫、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電組，它包含導(dǎo)線(xiàn)、極板間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線(xiàn)電感；Cp為寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一，下面專(zhuān)門(mén)討論?？梢?jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，特別在高頻激勵(lì)時(shí)，尤需考慮L的存在，會(huì)使傳感器有效電容圖5.9電容傳感器的等效電路

壓電方程及壓電常數(shù)矩陣1.2第6章壓電式傳感器壓電效應(yīng)及材料6.16.2等效電路及測(cè)量電路6.3壓電式傳感器及其影響因數(shù)

6.4第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)第6章壓電式傳感器6.1.1石英晶體壓電機(jī)理第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器