[工学]4、电容式传感器.ppt

第四章 电容式传感器 测量调整方便、安装误差和运行误差的影响大为降低，但其制造安装困难。 透射式 数显卡尺 公/英制转换, 任意位置置零。深度测杆 公/英制转换, 任意位置置零。绝对测量和相对测量相互转换。深度测杆，报警功能 第四章 电容式传感器 数显内径卡尺 高度尺 公/英制转换, 任意位置置零。绝对测量和相对测量相互转换。深度测杆，报警功能 公/英制转换, 任意位置置零。绝对测量和相对测量相互转换。深度测杆，报警功能 第四章 电容式传感器 * * 缺点: 1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。 2、寄生电容影响大：由于电容传感器起的初始电容值一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（1~2m导线可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导体的“寄生电容”却较大。这些电容一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。 第四章 电容式传感器 第四章 电容式传感器 一、温度对电容式传感器的影响 环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。这一点对于空间隙电容式传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性温度误差。 第四章 电容式传感器 为减小这种误差 ① 一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。 ② 采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以补偿。 第四章 电容式传感器 温度变化对介质介电常数的影响 使传感器电容改变，带来温度误差。温度对介电常数的影响随介质不同而异。 这种温度误差可用后接的测量线路进行一定的补偿，而完全消除是困难的。 第四章 电容式传感器 二、漏电阻的影响（绝缘性能） 电容变换器的容抗都很高，特别是在激励电压频率较低时，在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻若与容抗相近，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响。 这主要是采用高质量的绝缘材料及采用合理的结构加以解决。 第四章 电容式传感器 三、边缘效应与寄生参量的影响 1、边缘效应 理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。 当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。 ① 为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间隙。 ② 在结构上增设等位环来消除边缘效应。 第四章 电容式传感器 均匀电场 等位环 电极 电极 边缘电场 边缘电场 原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。 2、寄生参量 第四章 电容式传感器 一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响。 ①.增加原始电容值 ②.注意传感器的接地和屏蔽（右图） ③.将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内（集成化） 减小寄生电容的方法 固定极筒 屏蔽壳 可动极筒 第四章 电容式传感器 在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。 ④.采用“驱动电缆”技术 等电位屏蔽法 测量电路 前置级 + ? 1:1 内层屏蔽 外层屏蔽 Cx 第四章 电容式传感器 ⑤.采用运算放大器法 所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等）统一屏蔽起来，其关键在于正确选取接地点。 与传感器电容相并联的为等效电容CP /（1+A） ⑥.整体屏蔽 C1 C2 CP1 CP2 Z1 Z2 -A -A uo C Cx ∑ ～ 四、防止和减小外界干扰 第四章 电容式传感器 注意传感器的接地和屏蔽 增加原始电容值，降低容抗 导线分布合理 尽可能一点接地 尽量采用差动式电容传感器 上文回顾 电容式传感器 测量电路 特点 差动脉宽调制电路 运放式电路 调频电路 优缺点