【正文】 變化特別敏感，測量精度受到影響 ,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)。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖與等效電路 電容式液位傳感器 圖示同軸圓柱形電容器的初始電容為 : 00212()hCln r r???1212()xhCln r r??? 02212 ( )()xhhCln r r?? ??測量時，電容器的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。 而增大； 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 （ 2）若傳感器保持 ? r不變，改變介質(zhì)厚度，則可用于測量介質(zhì)厚度變化，此時 4424 4 4111CdNdCdNdd d dN N Nd d d??? ? ????? ??????? ? ???? ? ? ? ??? ??????其中， ? ?411/rrN a d d?? ?? ?? ，為靈敏度因子和非線性因子。 而電阻式傳感器有電阻 ， 供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損 、 渦流損耗等 ， 引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂 。 電容傳感器的特點(diǎn) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 （ 3） 靜電引力小 電容傳感器兩極板間存在著靜電場 ， 因此極板上作用著靜電引力或靜電力矩 。 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 。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外 ， 還因帶電極板間的靜電引力極小 ， 因此所需 輸入能量極小 ， 所以特別適宜低能量輸入的測量 ，例如測量極低的壓力 、 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 。 高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗 ， 但放大 、 傳輸遠(yuǎn)比低頻時復(fù)雜 ，且寄生電容影響加大 ， 難以保證工作穩(wěn)定 。 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 。 在設(shè)計傳感器的過程中 ， 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 。 濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值 。 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 。 例如石英 、 云母 、 人造寶石及各種陶瓷等做支架 。 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 ， 它們的介電常數(shù)隨之改變 ， 產(chǎn)生誤差 。 傳感器內(nèi)所有的 零件 應(yīng)先進(jìn)行清洗 、 烘干后再裝配 。 可采用方法： 3．消除和減小寄生電容的影響 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 （ 1） 增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距 (平板式間距為 ~， 圓筒式間距為 )， 增加工作面積或工作長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 。 可動極筒與傳感器的屏蔽殼（ 良導(dǎo)體 ） 同為地 ， 因此當(dāng)可動極筒移動時 ， 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 。 傳感器與測量電路前置級間的引線為 雙屏蔽層電纜 ， 其 內(nèi)屏蔽層 與信號傳輸線 (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 。 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 。 1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高 、 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 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 （ 5） 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 。 因 Z3和 Z4在結(jié)構(gòu)上完全對稱 ， 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 。 電容式傳感器的原始電容值較大 （ 幾百 pF） 時 ， 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 。 此外 ， 接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號 ， 也會給儀器帶來誤差和故障 。 ?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 ， 可采用同軸屏蔽電纜線 。 防止和減小干擾的措施歸納為： 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 電容式傳感器的全等效電路如圖所示 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 調(diào)頻測量電路 調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分 。電橋輸出電壓為 : 1 1 1 201 2 1 2 1 2 02 12 2 2 2 2x x x xx x x x x xC C C CE E E E E CUC C C C C C C?? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ???002EdUd??0U若傳感器為變極距式差動電容傳感器，則電橋輸出為： 經(jīng)放大、相敏檢波和濾波后輸出直流電壓 USC大小與位移成 線性關(guān)系，其正負(fù)極性反映位移的方向。 UE在負(fù)半周內(nèi)， D2導(dǎo)通、 D1截止，則電容 C2充電，在隨后出現(xiàn)正半周時， C2通過電阻 R2， 負(fù)載電阻RL放電，流過 RL的電流為 I2。 表明，傳感器的輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與 T形網(wǎng)絡(luò)中的電容 C1和 C2的差值有關(guān)。 當(dāng) G點(diǎn)的電位充至 Ur時 ， 比較器 A2產(chǎn)生一脈沖 ， 使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)一次 ， 使 A點(diǎn)成高電位 ， B點(diǎn)成低電位 ， 又重復(fù)上述過程 。 d2= d0Δd。 現(xiàn)用兩個電容開關(guān)來決定工作臺何時換向 。 當(dāng)油箱中的油位降低時 ， 電容傳感器的電容量 Cx減小 ， 電橋失去平衡 ，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn) ， 指針逆時針偏轉(zhuǎn) （ 示值減小 ） ， 同時帶動 RP的滑動臂移動 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。 同組中有多個電極或多個電極并聯(lián) ， 極大地提高了靈敏度 。 當(dāng)動尺沿 x方向平行于定尺不斷移動時 ，每對電容的相對遮蓋長度 a將由大到小 ， 由小到大地周期性變化 ， 電容量值也隨之相應(yīng)周期變化 ， 如圖所示 ， 經(jīng)電路處理后 ，則可測得線位移值 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 隨著微機(jī)械加工技術(shù) (MEMS)的迅猛發(fā)展 ， 各種基于 MEMS技術(shù)的傳感器也應(yīng)運(yùn)而生 ， 由于國防和尖端技術(shù)需要 ， 微加速度傳感器近年來發(fā)展迅速 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 微加工三軸加速度傳感器 技術(shù)指標(biāo)： 靈敏度： 500mV/g ， 量程：10g， 頻率范圍：，安裝諧振點(diǎn) :8kHz ， 分辨力： ， 重量： 200g ， 安裝螺紋： M5 mm ， 線性誤差： ≤ 1% 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 硅微加工加速度傳感器原理 1—加速度測試單元； 2—信號處理電路； 3—襯底 ； 4—底層多晶硅（下電極）； 5—多晶硅懸臂梁； 6—頂層多晶硅（上電極） 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié) 構(gòu)。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá) 1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá) 10g 以上。 裝有傳感器的假人 氣囊