【文章內(nèi)容簡介】 ?????? ????????? ?????? ? /1 100 CCC 非線性 對變極距型電容式傳感器，當極板間距變化時，其電容量的變化： ????????????????? ??????? ?????? 320 1 ???????? ??CC可見 ， 差動式的非線性得到很大改善 ， 靈敏度也提高了一倍 。 采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量 ?C ????????????????? ???????? ????? 420 12 ??????CC二 、 特點 主要優(yōu)點： 1． 溫度穩(wěn)定性好 ?傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān) ， 僅取決于電極的幾何尺寸 ， 有利于選擇溫度系數(shù)低的材料； ?因本身發(fā)熱極小 ， 影響甚微 。 2． 結(jié)構(gòu)簡單 ， 適應(yīng)性強 ?電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單 ， 易于制造 。 ?此外傳感器可以做得體積很小 ， 以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量 。 ?金屬作電極 ， 無機材料作支撐 。 能在 高低溫 、 強輻射及強磁場 等各種惡劣的環(huán)境條件下工作 ， 適應(yīng)能力強 ， 尤其 可以承受很大的溫度變化 ， 在高壓力 、 高沖擊 、 過載 等情況下都能正常工作 。 3． 動態(tài)響應(yīng)好 ?極板間的靜電引力很小 ， 可動部分質(zhì)量很輕 ， 因此 其固有頻率很高 ， 動態(tài)響應(yīng)時間短 ， 能在幾 MHz的頻率下工作 ， 特別適合動態(tài)測量 。 ?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 。 ?可用于 測量高速變化的參數(shù) ， 如測量振動 、 瞬時壓力等 。 4． 可以實現(xiàn)非接觸測量 、 具有平均效應(yīng) 當被測件不能允許采用接觸測量的情況下 ,電容傳感器可以完成測量任務(wù) 。 當采用非接觸測量時 ,電容式傳感器具有平均效應(yīng) ,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響 。 a)測振幅 b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺 被測物 振動 電容式 傳感器 被測軸 電容式 傳感器 缺點： 1． 輸出阻抗高 ， 負載能力差 ?容量受其電極幾何尺寸限制 ， 一般為幾十到幾百 pF， 輸出阻抗很高 。 尤其當采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時 ， 輸出阻抗高達 106～ 108Ω 。 因此傳感器負載能力差 ， 易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象 ， 必須采取 屏蔽措施 。 ?容抗大還要求傳感器 絕緣部分的電阻值極高 （ 幾十 MΩ 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 ） 。 2． 寄生電容影響大 ?表現(xiàn)： 傳感器的初始電容量很小 ， 而其引線 電纜電容 (l～2m導(dǎo)線可達 800pF)、 測量電路的 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 。 ?影響： ① 降低了傳感器的靈敏度； ② 寄生電容 (如電纜電容 )常隨機變化 ， 將使傳感器工作不穩(wěn)定 ， 影響測量精度 。 因此對電纜選擇 、 安裝 、 接法有要求 。 ?措施： 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)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服 。 三 、 設(shè)計要點 1． 減小環(huán)境溫度濕度等變化的影響 ， 保證絕緣材料的絕緣性能 主要影響： ?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 。 措施： ?電極設(shè)計： 金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金；也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝 ， 這樣電極可以做得極薄 ， 對減小邊緣效應(yīng)極為有利 。 ?密封： 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；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作用 ， 可防塵 、 防濕 、 防腐蝕 。 ?電極支架設(shè)計： 要有一定的機械強度外還要有穩(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 。 ?電介質(zhì)選擇： 盡量采用空氣等介電常數(shù)近零的電介質(zhì) 。 2． 消除和減小邊緣效應(yīng) ?適當 減小極間距 ， 使電極直徑或邊長與間距比增大 ， 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的影響 。 ?結(jié)構(gòu)上增設(shè) 等位環(huán) 來消除邊緣效應(yīng) 。 等位環(huán) 3與電極 2在同一平面上并將電極 2包圍 ， 且與電極 2電絕緣但等電位 ， 這就能使電極2的邊緣電力線平直 ， 電極 1和 2之間的電場基本均勻 ， 而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán) 3外周不影響傳感器兩極板間電場 。 帶有等位環(huán)的平板電容 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 均勻電場 1 2 3 3 邊緣電場 （ 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 。 一般電容值變化在 103— 103 pF范圍內(nèi) ， 相對值變化在 106— 1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 ， 而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度 ， 必須消除和減小它 。 可采用方法： 3．消除和減小寄生電容的影響 （ 1）增加傳感器原始電容值 （ 2）注意傳感器的接地和屏蔽；（ 3）集成化 （ 4）采用 “ 驅(qū)動電纜 ” (雙層屏蔽等位傳輸 )技術(shù) （ 5）采用運算放大器法；（ 6）整體屏蔽法 （ 2） 注意傳感器的接地和屏蔽 圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器 。 圖中可動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動 。 可動極筒與傳感器的屏蔽殼（ 良導(dǎo)體 ） 同為地 ， 因此當可動極筒移動時 ， 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 。 引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(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的距離 。 絕緣體 屏蔽殼 固定極筒 可動極筒 連桿 導(dǎo)桿 接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖 （ 3） 集成化 將 傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體 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 。 （ 4） 采用 “ 驅(qū)動電纜 ” (雙層屏蔽等位傳輸 )技術(shù) ?適用情況：當電容式傳感器的電容值很小 ， 而因某些原因 (如環(huán)境溫度較高 )， 測量電路只能與傳感器分開 。 ?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 。 由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓 ， 因此稱為 “ 驅(qū)動電纜 ” 。 ?采用這種技術(shù)可使電纜線長達 10m之遠也不影響儀器的性能 。 ?外屏蔽層接大地或接儀器地 ， 用來防止外界電場的干擾 。 1： 1 ＋ － 測量 電路 前置級 外屏蔽層 內(nèi)屏蔽層 芯線 傳感