电容式传感器原理及其应用.ppt

差动脉冲宽度调制电路产生的电路中各点电压波形如图所示。第24页,共47页，星期六，2024年，5月电容式传感器的特点及设计改善措施电容传感器的优缺点1．电容式传感器的优点（1）温度稳定性好：电容式传感器常用空气等气体作为绝缘介质，介质本身的发热量非常小，可忽略不计。因此，只需要从强度、温度系数等机械特性进行考虑，来合理选择材料和几何尺寸。（2）阻抗高、功率小，需要输入的动作能量低：电容式传感器由于带电极板间的静电吸引力极小，因此所需要的输入能量也极小，特别适用于低能量输入的测量。（3）动态响应好：电容式传感器由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。（4）结构简单，适应性强：电容式传感器结构简单，易于制造；能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强。第25页,共47页，星期六，2024年，5月2．电容式传感器的缺点（1）输出阻抗高，带负载能力差：电容的容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此要注意温度、湿度、清洁度等环境对绝缘材料绝缘性能的影响。（2）输出特性为非线性：虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才成线性，否则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，使输出特性非线性。（3）寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容很小，而其引线电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。例如，将信号处理电路安装在非常靠近极板的地方可以削弱泄露电容的影响。第26页,共47页，星期六，2024年，5月3.2电容式传感器的设计改善措施电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。（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，而且在测量中会产生非线性误差，应尽量减小或消除。适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影响，但电容易被击穿且测量范围受到限制。一方面，可采取将电极做得很薄，使之远小于极板间距的措施来减小边缘效应的影响。另一方面，可在结构上增加等位保护环的方法来消除边缘效应，如图4-14所示。（a）电容器的边缘效应（b）带有等位环的平板式电容器图4-14等位环消除电容边缘效应原理图第27页,共47页，星期六，2024年，5月（2）保证绝缘材料的绝缘性能①温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料性能的主要因素。②传感器的电极表面不便清洗，应加以密封，可防尘、防潮。③尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为零的电介质作为电容式传感器的电介质。④传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。⑤传感器电极的支架要有一定的机械强度和稳定的性能。应选用温度系数小、稳定性好，并具有高绝缘性能的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。第28页,共47页，星期六，2024年，5月（3）减小或消除寄生电容的影响寄生电容可能比传感器的电容大几倍甚至几十倍，影响了传感器的灵敏度和输出特性，严重时会淹没传感器的有用信号，使传感器无法正常工作。因此，减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常可采用如下方法：①增加电容初始值：增加电容初始值可以减小寄生电容的影响。采用减小电容式传感器极板之间的距离，增大有效覆盖面积来增加初始电容值。②采用驱动电缆技术：驱动电缆技术又叫双层屏蔽等位传输技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。第29页,共47页，星期六，2024年，5月驱动放大器是一个输入阻抗很高，具有容性负载，放大倍数为1的同相放大器。该方法的难点在于要在很宽的频带上实现放大倍数等于1，且输入输出的相移为零。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”。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。驱动电缆技术原理图第30页,共47页，星期六，2024年，5月③采用运算放大器法：运算放大器法的原理如图所示。它利用运算放大器的虚地来减小引线电缆寄生电容。运算放大器法电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地Σ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，为运算放大器的开环放大倍数，因而大大减小了电缆电容的影