《力傳感器》PPT課件

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1、1,第三節(jié) 電容式傳感器,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。 由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。 應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。,電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。,2,各種電容式傳感器,3,一、 工作原理與類型 （一）工作原理 用兩塊金屬平

2、板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容C為 S極板相對(duì)覆蓋面積； 極板間距離；r相對(duì)介電常數(shù)； 0 真空介電常數(shù)，0 8.85pF/m； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 、S和r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容C0、或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；r的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。,4,（二）類型,,變極距型傳感器,變面積型傳感器,變介質(zhì)型傳感器,5,,1、變極距型電容傳感器,圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化 ，其電容變化量C為,C-特性曲線,C0極距

3、為時(shí)的初始電容量。,,6,2、變面積型電容傳感器 變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為 l外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度； r2、r1 圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)l時(shí)，電容變化量C為,這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測(cè)位移等參數(shù)。,7,,3、變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。 若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚

4、度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為,,,,,,,,,,x,,,動(dòng)片,,,,,,厚度測(cè)量,8,若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為,l,平板形,,a、b、lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度 ； :兩固定極板間的距離； x、、0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。,,,,lx,,,,9,若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為,,液位傳感器,,,,,,,,,h,,,,,,,C1,,,C,,,C2,,,可見，傳感器電容量C與被測(cè)液位高度hx成線性關(guān)系。,,,,,,,2r1,2r2,,hx,1

5、0,例：某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的r2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L),解：,pF,11,二、 轉(zhuǎn)換電路 （一） 電容式傳感器等效電路 L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感： r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成； C0為傳感器本身的電容； Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容； Rg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。,,,供電

6、電源頻率為諧振頻率的1/31/2,12,將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個(gè)二次線圈。其中另兩個(gè)臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。,（二）測(cè)量電路,1、電橋電路,特點(diǎn)：高頻交流正弦波供電； 電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施； 通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡

7、電橋； 輸出阻抗很高(幾M至幾十M)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。,13,交流電橋的多種形式,14,2、二極管雙T形電路 電路原理如圖(a)。供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50的高頻方波。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成典型的一階電路，如圖(b)。其中二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，電容C1被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE。根據(jù)一階電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流iC2如下：,C2,UE,(b),,,,,,,,,,,R,R,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,,,UE,(

8、a),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C1,C1,C2,UE,RL,RL,R,R,R,R,+,+,+,+,,,iC1,iC2,,iC1,,iC2,正半周,負(fù)半周,15,同理，負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流:,在R（RRL）/（RRL）C2<

9、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 又稱差動(dòng)脈寬(脈沖寬度)調(diào)制電路 利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。,右圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。,,R2,雙穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā)器,,,,,,,,,,,,,,,VD1,VD2,A1,A2,,,,,A,B,R1,C1,C2,uAB,F,Q,Q,,Ur,差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路,G,,,,18,t,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,uA,u

10、A,uB,uB,uAB,uAB,UF,UF,UG,UG,Ur,Ur,Ur,Ur,-U1,U1,T1,U1,-U1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,,,,T2,U1,U1,U1,U1,,T1,,,T2,t,t,t,t,t,t,t,t,t,(a),(b),差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,U0,19,UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為,UA、UBA點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1觸發(fā)器輸出的高電位。 C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為,設(shè)R1R2R，則,因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。,Ur比較器

11、的參考電壓。,20,設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為 、 和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對(duì)差動(dòng)式變極距型和變面積型電容式傳感器可得 可見差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。這是十分可貴的性質(zhì)。在此指出：具有這個(gè)特性的電容測(cè)量電路還有差動(dòng)變壓器式電容電橋和由二極管T形電路經(jīng)改進(jìn)得到的二極管環(huán)形檢波電路等。 另外，差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。,21,4、 運(yùn)算放大器式電路 其最大特點(diǎn)

12、是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖 將Cx = 代入上式得,,,-A,,,,,,uo,C,Cx,u,,運(yùn)算放大器式 電路原理圖,負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。,22,三、 主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn),（一） 主要性能 1、 靜態(tài)靈敏度 是被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比。對(duì)于變極距型其靜態(tài)靈敏度kg為

13、 可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時(shí)還隨被測(cè)量而變化。減小可以提高靈敏度。但過小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kVmm）?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于 103kV/mm）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。,,23,靈敏度取決于r2/r1，r2與r1越接近，靈敏度越高。雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長(zhǎng)度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。 另外，變極距型和變面積型電容式傳感器可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式來提高靜態(tài)靈敏度，一般提高一倍。例如，對(duì)變面積型差動(dòng)式線位移電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為,,對(duì)于圓柱形變面積型電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為,可見，與單組式相比靈敏度提高了一倍。

14、 變面積型和變介電常數(shù)型電容式傳感器在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其輸入被測(cè)量與輸出電容量呈線性關(guān)系，因而其靜態(tài)靈敏度為常數(shù),24,顯然，輸出電容C與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系。 只有當(dāng)(/<<1時(shí)，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為CC0(/)。由于取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（1cm至零點(diǎn)幾mm），而且最大應(yīng)小于極板間距的1/51/10。,2、非線性 對(duì)變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時(shí)，其電容量的變化：,25,可見，差動(dòng)式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。 如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(C) ，那么被測(cè)量就與XC成線性關(guān)系

15、，不需要滿足 <<這一要求了。 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，變面積型和變介電常數(shù)型（測(cè)厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間電場(chǎng)分布不均勻，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。,采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量C,26,（二） 特點(diǎn) 1受溫度影響極小 電容式傳感器的電容值僅取決于電極的幾何尺寸，一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。 2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)多種場(chǎng)合，具有平均效應(yīng) 這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度；可做得體積很小，易于實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量；電容式傳感器一般用金屬作電極、以無機(jī)材

16、料作絕緣支承，因此能工作在高溫、低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)被測(cè)試件不允許采用接觸測(cè)量時(shí)，電容傳感器可完成測(cè)量任務(wù)。電容式傳感器在采用非接觸測(cè)量時(shí)，具有平均效應(yīng)，可減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。,27,3動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個(gè)10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)

17、量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。 電容式傳感器還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移；由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動(dòng)形式并接入電橋時(shí)產(chǎn)生的漂移極小，因此允許電路進(jìn)行高增益放大，使儀器具有很高的靈敏度。,28,不足： 1負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，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)106108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法

18、工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十M以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對(duì)絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。,29,2寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度；這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變

19、化量甚至超過被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求 3、輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服。電容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)展前途的傳感器。,30,（三） 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素 電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精

20、度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開的。在設(shè)計(jì)傳感器的過程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。 1減小環(huán)境溫度、濕度的影響，保證絕緣材料的性能 溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電容量,產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。,31,電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電

21、極可以做得極薄，對(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。 傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。 傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能，可以考慮選用。,32,盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的

22、溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)（也不受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償，但無法完全消除。 在可能的情況下,傳感器內(nèi)盡量采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu),這樣可以通過某些類型的測(cè)量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。 選用50kHz至幾MHz作為電容傳感器的電源頻率，以降低對(duì)傳感器絕緣部分的絕緣要求。 傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時(shí)變形。,33,2消除和減小電

23、容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng) 適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。此外，可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。,邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度上起了補(bǔ)償作用。,34,（1）適當(dāng)增大傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為0.20.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長(zhǎng)度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，相對(duì)值變

24、化在 10-61范圍內(nèi)。,寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，必須消除和減小它?？刹捎梅椒ǎ?3減小寄生電容的影響,（1）適當(dāng)增大傳感器原始電容值 （2）采用適當(dāng)接地方法和屏蔽措施 （3）將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi) （4）采用“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù) （5）采用運(yùn)算放大器法,35,（2）采用適當(dāng)接地方法和屏蔽措施 圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng)?？蓜?dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，,從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號(hào)。 引線電纜也必須屏蔽

25、在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前置級(jí)的距離。,,,,,,,,,,,,,,,,,,絕緣體,屏蔽殼,固定極筒,可動(dòng)極筒,連桿,導(dǎo)桿,接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖,,,36,整體屏蔽法 將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。下圖是差動(dòng)電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂 Z3和Z4中間，使電纜芯線與其屏蔽,層之間的寄生電容CP1和CP2分別與Z3和Z4相并聯(lián)。如果Z3和Z4比CP1和CP2的容抗小得多，則寄生電容CP1

26、和CP2對(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng),C1,C2,CP1,CP2,Z3,Z4,,-A,37,最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時(shí)Z3和Z4是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線圈，流過Z3和Z4的電流大小基本相等但方向相反。因Z3和Z4在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，所以線圈中的合成磁通近于零，Z3和Z4僅為其繞組的銅電阻及漏感抗，它們都很小。結(jié)果寄生電容Cpl和Cp2對(duì)Z3和Z4的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影響交流電橋的平衡。 還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電容傳感器兩電容C1和C2之間。這樣進(jìn)一步降低了

27、外界電磁場(chǎng)的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)量電路前置級(jí)，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長(zhǎng)達(dá)10m以上時(shí)仍能測(cè)出 1pF的電容。 電容式傳感器的原始電容值較大（幾百pF）時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜。電纜長(zhǎng)達(dá)10m時(shí)，傳感器也能正常工作。,38,（3）將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi) 將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。 （4）采用“驅(qū)動(dòng)電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù) 當(dāng)電容式傳感器的電容

28、值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過1:1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能，如圖。,39,外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場(chǎng)的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)

29、動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時(shí)，也能正常工作。,,1：1,,,,,,,,,,,,,,,測(cè)量 電路 前置級(jí),,,,外屏蔽層,內(nèi)屏蔽層,,芯線,傳感器,“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)原理圖,,,當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百F)時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長(zhǎng)達(dá)10m，儀器仍能正常工作。,40,（5）采用運(yùn)算放大器法 下圖是利用運(yùn)算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容CP的原理圖。圖中電容傳感器的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn),電纜的屏蔽層接儀器地,這時(shí)與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1A)，因而大大地減

30、小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接儀器地，對(duì)芯線不起作用。,傳感器的另一電極接大地，用來防止外電場(chǎng)的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實(shí)際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動(dòng)技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。選擇足夠大的A值可保證所需的測(cè)量精度。,,,-A,,,,,,,,uo,C,Cx,u,,利用運(yùn)算放大器式電路虛地點(diǎn) 減小電纜電容原理圖,,,,,,,,41,5防止和減小外界干擾 當(dāng)外界干擾(如電磁場(chǎng))在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠大時(shí)，儀器無法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾

31、信號(hào)，也會(huì)給儀器帶來誤差和故障。防止和減小干擾的措施歸納為：,屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)等等。 增加原始電容量，降低容抗。 導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時(shí)，可采用同軸屏蔽電纜線。 盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。 采用差動(dòng)式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。,42,四、電容式傳感器的應(yīng)用舉例應(yīng)用,1電容式壓力傳感器,當(dāng)PH=PL時(shí)，膜片處于中間位置，C1=C2； 當(dāng)有差壓作用時(shí)，測(cè)量膜片產(chǎn)生形變： PH PL時(shí)，膜片PL向彎曲，C1C2； 將這種電容變

32、化通過電路轉(zhuǎn)換為電壓變化,43,2.電容式料位計(jì),用于水泥、化工、罐裝 等傳感器靜電容：,44,3.加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用,加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)， 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰 撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。,裝有傳感器的假人,,氣囊,,45,汽車氣囊的保護(hù)作用,使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。,46,汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用,47,電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示,,48,1、為什么變極距型電容傳感器的靈敏度和非線性是矛盾的？實(shí)際應(yīng)用中怎樣解決這一問題？ 2、一電容測(cè)微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙 =0.3mm，問： （1）工作時(shí)，如果傳感器與工作的間隙變化量 =1m時(shí)，電容變化量是多少？ （2）如果測(cè)量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在 =1m時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？,作業(yè),