检测技术 教学课件 作者 卜云峰 主编 第三章 电容传感器.ppt

第二节 电容传感器性能及改善措施 电容式传感器有如下一些优点： 1．温度稳定性好： 用真空、空气或其他气体作为绝缘介质，介质发热小，本身发热问题可以忽略不计。 2.需要的动作能量低： 带电极板间的静电吸引力很小，适宜用来解决输人能量低的测量问题。 3．动态响应快： 其固有频率很高，即动态响应时间很短，又由于其介质损耗小可以用较高的频率作为供电电源，因此测量系统的工作频率较高，可用来测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。 优点： 缺点： 1．输出特性为非线性 变间隙式电容传感器的电容量与极板间距非线性关系，虽然可以采用差动形式来改善，但是不可能完全消除非线性。另外，边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出非线性。 2．泄漏电容的影响 电容式传感器的初始电容量很小，而连接电容式传感器和电子线路的引线电容、构件与连接电缆构成的寄生电容却较大，这不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容常常是随机变化的，带来了电容式传感器的工作不稳定，影响了测量精度。因此，在进行电线的选样、安装、电容传感器的接入方法等都要有严格的要求。例如，将处理电信号的电子线路安装在非常靠近极板的地方可以削弱泄漏电容的影响。 缺点： 3．高输出阻抗，带负载能力差 它的容量受其电极的几何尺寸等限制不宜做得很大，一般初始容量为尺十到几百皮法，甚至只有几个皮法。因此，电容式传感器具有高输出阻抗，带负载能力较差的缺点。 4.工作时易受外界干扰因素影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，所以必须采取妥善的屏蔽措施，从而给设计和使用电容式传感器都带来了不便。容抗输出大还要求传感器绝缘部分的电阻值提高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响了仪器性能。为此还要注意周围环境温度、清洁度等因素。若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频电路复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作的稳定性。 二、电容式传感器的设计改善措施 电容式传感器所具有高灵敏度、高精度等特点是与其正确设计、正确选材以及精细的加工工艺分不开的。对于电容式传感器，应充分发扬它的优点，克服它的缺点，在设计应用电容式传感器可以采取这样一些改善措施。 1．消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低，而且在测量中产生非线性误差。因此应尽量消除或减小它。 减小边缘效应的措施: 采用减小电容式传感器极间距，但是在减小边缘效应的同时又带来了电容式传感器易被击穿且测量范围有限等缺点。 极板变薄设计同时配合极间距减小边缘效应。 采用加保护环的方法来消除边缘效应 2．保护绝缘材料的绝缘性能 减小环境温、湿度等变化引起的误差，温、湿度变化可引起各零的几何尺寸和相应位置及某些介质的介电常数改变，从而引起电输出电容量发生变化，产生误差。 从选材、结构、加工工艺等方面减小温、湿度等因素产生的误差，保证绝缘材料具有高绝缘性能。 尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零电介质； 尽量采用差动对称结构，通过电子线路来减小误差。 选用50赫至几兆赫作为电源频率，这样可以降低对传感器绝缘部分的绝缘性能要求。 3．消除和减小寄生电容的影响 （1）增加初始电容值可减小寄生电容的影响采用减小极间距，增大相对覆盖面积来增加初始电容值。但这种方法会受到加工及装配工艺、结构、击穿电压、精度等因素限制。一般电容值变化在 10-3～103PF范围内，相对变化在 10-6～1 （2）改良传感器的接地与屏蔽 图3－7中可动极筒与传感器的屏蔽壳同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变从而消除了由此产生的虚假信号。 电缆引线也必须屏蔽至传感器屏蔽壳内，应尽量使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电子线路前置级距离 （3）驱动电缆法 即等电位屏蔽法：传感器与电子线路级间的引线为双屏蔽电缆，内屏蔽层与信号传输线通过1：1放大器成等电位从而消除寄生电容的影响。 （4）运算放大器驱动法 运算放大器的虚地来减小电缆电容的影响 传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容 C／（1＋ K）， K为开环放大倍数，因而大大减小了电缆电容的影响，外界干扰国屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双层屏蔽电缆，外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。实际上这是一种不完善“驱动电缆”，结构较简单。开环放大倍数K越大，精度就越高 加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰