【文章內容簡介】 下工作，特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)。Ⅳ.可以非接觸測賴寧嘎，具有平均效應 例如 非接觸測量回轉軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。 電容式傳感器除了上述的優(yōu)點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力高，能敏感 甚至更小的位移；由于其空氣等介質損耗小，采用差動結構并接成電橋式時產生的零殘極小，因此允許電路進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。Ⅰ.輸出阻抗高，負載能力差電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般微幾十導幾百皮法，其值只有幾個皮法，使 傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達 108～106Ω。因此傳感器的負載能力很差，易受外界干擾影響而產生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來極大的不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上） ，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低） ，為此還要特別注意周圍的環(huán)境如濕度、清潔度等。若采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠比低頻的復雜，且寄生電容影響大，不易保證工作十分穩(wěn)定。Ⅱ.寄生電容影響大 電容式傳感器的初始電容量小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容（1～2m 導線可達 800pF） 、電子線路的雜散電容以及傳感器內極板于其周圍導體構成的電容等所謂“ 寄生電容 ”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。因此對電纜的選擇、安裝、接法都有要求。隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成技術的發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷地得到克服。電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途地傳感器。 應用中存在的問題 上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應影響時，其等效電路如圖所示。 圖中 C 為傳感器電容，Rp 為低頻損 耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質損耗；Rs 為高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯(lián)損耗電組，它包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻；L 為電容器及引線電感； Cp 為寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實用性能的關鍵之一，下面專門討論?？梢?，在實際應用中，特別在高頻激勵時，尤需考慮 L 的存在，會使傳感器有效電容變化，從而引起傳感器有效靈敏度的改變。 在這種情況下，每當改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標定。以上分析各種電容式傳感器時還忽略了邊緣效應的影響。實際上當極板厚度 h 與極距 δ 之比相對較大時，邊緣效應的影響就不能忽略。邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。為了消除邊緣效應的影響，可以采用帶有保護環(huán)的結構，如圖下圖所示。 保護環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。 電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，其電容量都很小(幾 pF 到幾十 pF)，屬于小功率、高阻抗器件，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關鍵。⑴．驅動電纜法它實際上是一種等電位屏蔽法。如圖 所示：在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為 1 的驅動放大器，(接線如圖示)。 這種接線法使內屏蔽與芯線等電位，消除了芯線對內屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響 ；而內、外層屏蔽之間的電容變成了驅動放大器的負載。因此驅動放大器是一個輸入阻抗很高、具有容性負載、放大倍數(shù)為 1 的同相放大器。該方法的難處是，要在很寬的頻帶上嚴格實現(xiàn)放大倍數(shù)等于 1，且輸出與輸入的相移為零。為此有人提出，用運算放大器驅動法取代上述方法 。⑵.整體屏蔽法以差動電容傳感器 CxCx2 配用電橋測量電路為例，如圖所示 U 為電源電壓，K 為不平衡電橋的指示放大器。所謂整體屏蔽是將整個電橋(包括電源、電纜等) 統(tǒng)一屏蔽起來；其關鍵在于正確選取接地點。本例中接地點選在兩平衡電阻 RR4 橋臂中間，與整體屏蔽共地。這樣傳感器公用極板與屏蔽之間的寄生電容 C1 同測量放大器的輸入阻抗相并聯(lián)，從而可將 C1 歸算到放大器的輸入電容中去。由于測量放大器的輸入阻抗應具有極大的值，C1 的并聯(lián)也是不希望的,但它只是影響靈敏度而已。另兩個寄生電容 C3 及 C4 是并在橋臂 R3 及 R4 上，這會影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但并不妨礙電橋的正確工作。因此寄生參數(shù)對傳感器電容的影響基本上被消除。整體 屏蔽法是一種較好的方法；但將使總體結構復雜化。⑶.采用組合式與集成技術 一種方法是將測量電路的前置級或全部裝在緊靠傳感器處，縮短電纜；另一種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，將全部測量電路組合在傳感器殼體內；更進一步就是利用集成工藝，將傳感器與調理等電路集成于同一芯片，構成集成電容式傳感器。 環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數(shù)關系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個方面： ⑴.溫度對結構尺寸的影響 電容傳感器由于極間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導致極間隙較大的相對變化，從而產生很大的溫度誤差。在設計電容式傳感器時，適當選擇材料及有關結構參數(shù)，可以滿足溫度誤差補償要求。⑵.溫度對介質的影響 溫度對介電常數(shù)的影響隨介質不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達 %/℃；若環(huán)境溫度變化177。50℃，則將帶來 7%的溫度誤差，故采用此類介質時必須注意溫度變化造成的誤差。第三章 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的輸出電容值非常（通常幾皮法至幾十皮法） ，因此不便直接顯示、記錄，更難以傳輸，為此，需要借助測量電路來檢測這一微小的電容量，并轉換為與其成正比的電壓、電流或頻率信號。測量電路的種類很多，下面介紹常用的幾種測量電路。 運算放大器式電路 圖 31 所示為基本的運算放大器式電路，它由傳感器電容 Cx、固定電容Co 及運算放大器 A 組成。其中 為電源電壓， o?U 為輸出電壓。 由于集成運放開環(huán)增益很高，所以它構成的基本運算電路均可認為是深度負反饋電路，運放兩輸入端之間滿足“虛短” 和“虛斷”，根據(jù)這兩個特點很容易得出下式: 0sxoCj1j1?????U即 : x0soU????將 dSC?x 代入上式可得 : dSU?0so???? 圖31 運算放大式電路說明:(1)輸出電壓 Uo 與電容傳感器兩電極的間距成正比，這就從原理上解決了使用單個變間隙式電容傳感器輸出特性的非線性問題。由于實際的運算放大器不可能完全滿足理想運放的條件，因此仍具有一定的非線性誤差，但只要其輸入阻s?抗和增益足夠大，這種誤差是相當小的。按這種原理已制成了能測出 的電容式測微儀。(2)由上式可知，輸出電壓 Uo 還與 Us 和 Co 有關，因此，該電路要求電源電壓必須采取穩(wěn)壓措施，固定電容必須穩(wěn)定。 電橋電路 圖 32 所示為交流電橋測量電路。圖 32（a ）為單臂接法的交流電橋測量電路，其中電容 C1，C2 ，C3，Cx 構成電容橋的四臂，Cx 為電容傳感器。高頻電源 s?U 經變壓器接到電容橋的一個對角線上，從橋路的另一個對角線取輸出電壓 。當電容式傳感器輸入的被測量 x=0，輸出 Cx=Co 時，交流電衡，有: 32