传感器原理与检测技术_第4章_电容式传感器原理与其应用-B
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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源自文库关键。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电位传输 技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。
等电位 驱动电缆技术原理图
➢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。
稳定。
（5） 调频电路
• 调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振荡器的谐振回路。其 测量电路原理框图如图所示。
• 当电容工作时，电容变化导致振荡频率发生相应的变化，再通过鉴频电路 把频率的变化转换为振幅的变化，经放大后输出，即可进行显示和记录， 这种方法称为调频法。
➢当传感器未工作时，振荡频率为：
（2）电容式传感器的缺点 ➢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。 ➢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。 ➢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。
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。 ➢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。 ➢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。 ➢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。
3. 双T形电桥电路
• 双T形电桥电 路如图所示， 高频电源u提 供幅值为U的 方波。
双T型电桥连接
正半周
负半周
4. 运算放大器式测量电路
• 运算放大器式测量电路的原理图如图所示。电容式传感器跨接在高增益运 算放大器的输入端与输出端之间。
• 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可 认为是一个理想运算放大器。则输出电压为：
（a）电容器的边缘效应
（b）带有等位环的平板式电容器
等位环消除电容边缘效应原理图
（2）保证绝缘材料的绝缘性能
➢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； ➢传感器的电极表面不便清洗，应加以密封，可防尘、防潮； ➢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； ➢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
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C P 。
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 CP/1(A)，A
• 差动脉冲宽度调制电路如图所示，它是利用对传感器电容的充放电使电路 输出脉冲的宽度随传感器电容量的变化而变化，再通过低通滤波器得到相 应被测量变化的直流信号。
➢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。
4.3 电容式传感器的特点及设计改善措施
1.电容传感器的优缺点 （1）电容式传感器的优点 ➢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
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，如图所示。
➢用调频电路作为电容式传感器的测量电路具有下列特点： （1）抗干扰能力强，稳定性好；
（2）灵敏度高，可测量 0.01m级的位移变化量；
（3）能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级； （4）由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进行测量，并可以和计算机
进行通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。
（6）差动脉冲宽度调制电路
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； ➢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。
（3）减小或消除寄生电容的影响
• 可见，运算放大器的输出电压 u 0 与极板间距离d成线性关系
。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的 非线性问题，但要求运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗 都足够大。
• 理想运算放大器的开环放大倍数 A ，且输入阻抗 Zi
。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容 C 0 值
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电位传输 技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。
等电位 驱动电缆技术原理图
➢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。
稳定。
（5） 调频电路
• 调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振荡器的谐振回路。其 测量电路原理框图如图所示。
• 当电容工作时，电容变化导致振荡频率发生相应的变化，再通过鉴频电路 把频率的变化转换为振幅的变化，经放大后输出，即可进行显示和记录， 这种方法称为调频法。
➢当传感器未工作时，振荡频率为：
（2）电容式传感器的缺点 ➢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。 ➢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。 ➢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。
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。 ➢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。 ➢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。 ➢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。
3. 双T形电桥电路
• 双T形电桥电 路如图所示， 高频电源u提 供幅值为U的 方波。
双T型电桥连接
正半周
负半周
4. 运算放大器式测量电路
• 运算放大器式测量电路的原理图如图所示。电容式传感器跨接在高增益运 算放大器的输入端与输出端之间。
• 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可 认为是一个理想运算放大器。则输出电压为：
（a）电容器的边缘效应
（b）带有等位环的平板式电容器
等位环消除电容边缘效应原理图
（2）保证绝缘材料的绝缘性能
➢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； ➢传感器的电极表面不便清洗，应加以密封，可防尘、防潮； ➢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； ➢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
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C P 。
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 CP/1(A)，A
• 差动脉冲宽度调制电路如图所示，它是利用对传感器电容的充放电使电路 输出脉冲的宽度随传感器电容量的变化而变化，再通过低通滤波器得到相 应被测量变化的直流信号。
➢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。
4.3 电容式传感器的特点及设计改善措施
1.电容传感器的优缺点 （1）电容式传感器的优点 ➢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
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，如图所示。
➢用调频电路作为电容式传感器的测量电路具有下列特点： （1）抗干扰能力强，稳定性好；
（2）灵敏度高，可测量 0.01m级的位移变化量；
（3）能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级； （4）由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进行测量，并可以和计算机
进行通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。
（6）差动脉冲宽度调制电路
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； ➢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。
（3）减小或消除寄生电容的影响
• 可见，运算放大器的输出电压 u 0 与极板间距离d成线性关系
。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的 非线性问题，但要求运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗 都足够大。
• 理想运算放大器的开环放大倍数 A ，且输入阻抗 Zi
。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容 C 0 值