传感技术3－09电容式传感器及其应用

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1、Chapter3电容式传感器及其应用C-sensorsnonelectricCNonelectric：位移、振动、角位移、加速度、压力、压差、液位、物料面、成分、成份含量等3－1电容式传感器工作原理和结构一、原理C=S/d当、d、S任一变化时，C均发生变化二、类型变极距d型c-sensor变面积S型c-sensor变介质型c-sensordS问题1：平板电容器C＝？1、变极距d型c-sensordC＋C=S/(d－d)dd－d时C/C=d/d/(1-d/d)A考虑线性项C/C=d/dB考虑二次项C/C=d/d(1＋

2、d/d)灵敏度Kc＝(C/C)/d=1/d(d小Kc高)非线性误差＝d/d(d小大)C/C=d/d[1+(d/d)+(d/d)+…….]21)差动变极距型c-sensorA考虑线性项C/C=2d/d灵敏度Kc2＝（C/C)/d=2/d=2Kcd1d2非线性误差＝2(d/d)2B考虑三次项C/C=2d/d[1+(d/d)]2问题2：这两C如何并联？d1＝d－d，d2＝d－d时C＋C=S/(d－d)＋S/(d＋d)C/C=2d/d[1+(d/d)+(d/d)+…]422）耐压性变极距型c-sen

3、sord22d11C1=01S/d1；C2=02S/d2(C-sensor:d小Kc高，但易击穿)1=1,空气如何增加耐压？问题3：插入一层电介质后C变大还是变小？灵敏度Kc3＝(C/C)/d1=N1/d2、变面积S型c-sensorC=ba/d－(b－b)a/dC/C＝b/b1）平板式线位移c-sensorS＝a×b，下极板右移b时db灵敏度Kc＝（C/C)/b=1/bb减小，Kc增大，但会出现边缘效应下极板移动平行度要高，否则d改变，影响测量精度2）圆柱形线位移c-sensorl灵敏度Kc＝(C/C)/l=

4、1/l问题4：圆柱形C＝？灵敏度Kc＝(C/C)/l=2/l3）角位移c-sensor21当极板2转，电容量减少灵敏度Kc＝(C/C)/=1/3、变介质型c-sensor无介质2:Co=1bl/d有介质2:3－2电容式传感器存在的问题及改善措施一、C-Sensor的等效电路低频时存在漏电流，对应漏电阻Rp高频时传输线的趋肤效应，导线电阻RL增加，且有电感L，其等效电路为：忽略Rp，则有：电容有效增量：电容有效相对变化：电容sensor有效灵敏系数：二、存在的不足1、静电击穿问题2、边缘效应3、寄生电容4、静电引力5、温度

5、影响——可忽略三、解决办法加绝缘介质加等位环、极板用薄膜层减短引线或固定引线、三层屏蔽线差动输出带等位环的电容传感器（等位环）寄生电容与C——Sensors并联影响传感器的灵敏度，寄生电容的变化引起虚假信号严重影响传感器的输出，甚至淹没有用信号，必须采取措施消除。消除寄生电容的主要方法：驱动电缆法运算放大器法整体屏蔽法组合式与集成电路1）驱动电缆法采用双屏蔽线等位传输技术。即：C-Sensors用双屏蔽线接入，并用放大倍数为1的驱动放大器使内屏蔽线与信号线等电位，消除芯线的漏电，克服寄生电容的影响。驱动电缆法困难在于：宽频范围内的放大倍数始终＝1输

6、入与输出保持同相2）运算放大器法利用运算放大器的虚地来减少引线电缆的寄生电容Cp。运算放大器法虽然不能消除Cp的影响，主要A足够，可以达到测量精度，但电路大为简化CpCp折算到输出仅为1(1+A)3）整体屏蔽法4）组合式与集成电路将测量电路的前置电路或全部的测量电路靠近C-Sensors，以缩短电缆，减小寄生电容。将测量采用超小型大规模基础电路，将全部的测量电路组合的传感器的壳内将传感器与测量电路集成在一起，构成集成电容式传感器问题在于电子元器件对环境的依赖程度高最简单的测量电路——AC电桥3－3电容式传感器的测量电路Z1Z2Z3Z4Ù0Ù1）单

7、臂电桥输出Ù0=U/4*Z/Z2）半桥输出Ù0=U/2*Z/Z3）全桥输出Ù0=U*Z/Z相敏检波低通滤波AC放大器要求：电源输出幅值、频率稳定电桥不易平衡一、耦合式电感电桥1、变压器电桥Ù0=Ù/2*Z/Z2、紧耦合电感电桥分布电容对AC电桥的平衡及输出影响大紧耦合电感电桥可：1）消除分布电容，电桥平衡时稳定；2）简化AC电桥的接地和屏蔽，改善电路的稳定性。12互感：3耦合系数i2i1123i2i11，i1、i2同相-1，i1、i2不同相C1C2ZsZsÙ0Zp123当传感器1、2处于自由态时，C1＝C2，i1＝i2，同相，K＝1，则：意

8、味1、2端短路，即任何分布电容在输出短路。当传感器1、2处于工作状态时，Z1＝Z0+Z，Z2＝Z0-Z则：04Ù0＝Ù