[理学]第3章 电容式传感器.ppt

3-3 电容式传感器的误差分析 1. 误差来源 一、温度对结构尺寸的影响 二、电容电场的边缘效应 三、寄生与分布电容的影响 一.温度对结构尺寸的影响 温度误差主要是由于构成传感器的材料不同，因此有不同的温度膨胀系数。 温度误差与组成传感器的零件形状、尺寸、大小及零件材料的线膨胀系数有关。 变间隙电容传感器的温度误差还与工作行程有关。 二. 电容电场的边缘效应 为减小边缘电场可适当减小极间距，或在结构上增设等位环来消除边缘效应。 带有等位环的平板电容 传感器结构原理图 均匀电场 1 2 3 3 边缘电场 边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。 消除和减小方法： 三．寄生与分布电容的影响 （1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法 “驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术　 　 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能，如图。 外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。 1：1 ＋ － 测量 电路 前置级 外屏蔽层 内屏蔽层 芯线 传感器 “驱动电缆”技术原理图 当电容式传感器的初始电容值很大(几百μF)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。 3-4 电容式传感器的应用 课外实践项目：电容式接近开关的原理 及电路设计调研 第3章 电容式传感器 变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化 压力 物位 差压 加速度 角位移 振动 位移 ? 3-1 电容式传感器的工作原理 平板型 圆筒型 真空介电常数 相对介电常数 变介电常数式 变极距式 变面积式 第3章 电容式传感器 两平行极板组成的电容器,它的电容量为: + + + ? S ? δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。 以平板电容式传感器为例： 一、变面积（S）型 线性 第3章 电容式传感器 理论上，输入输出关系是线性的。 （a）角位移型 + + + 第3章 电容式传感器 （b）直线位移式 第3章 电容式传感器 圆柱面线位移式 第3章 电容式传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为 l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为 这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。 第3章 电容式传感器 二、变介电常数（ε）型 ? 可用来测水位、物位、介质厚度等 ? 介质导电时，极板表面应涂绝缘层 第3章 电容式传感器 产品. 电容式液位传感器（液位计/料位计） 第3章 电容式传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。 若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被厚度的关系为 δx 厚度传感器 C1 C2 C3 C 若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为 C1 C2 C3 C C4 a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ；δ:两固定极板间的距离； δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。 l 平板形 lx 如图，若忽略边缘效应，电容量与被液位的关系为 液位传感器 h C1 C C2 可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 2r1 2r2 hx 例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为5