【正文】 筒形電容式傳感器示意圖 （ 3） 集成化 將 傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體 內(nèi) ， 省去傳感器的電纜引線 。 引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi) 。 圖中可動(dòng)極筒與連桿固定在一起隨被測(cè)量移動(dòng) 。 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(hào)影響儀器的精度 ， 必須消除和減小它 。 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(chǎng) 1 2 3 3 邊緣電場(chǎng) （ 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(zhǎng)度 來(lái)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 。 ?結(jié)構(gòu)上增設(shè) 等位環(huán) 來(lái)消除邊緣效應(yīng) 。 2． 消除和減小邊緣效應(yīng) ?適當(dāng) 減小極間距 ， 使電極直徑或邊長(zhǎng)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(cè)量范圍 。 例如石英 、 云母 、人造寶石及各種陶瓷等做支架 。 ?電極支架設(shè)計(jì)： 要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能 。 措施： ?電極設(shè)計(jì)： 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(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利 。 三 、 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 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 。 因此對(duì)電纜選擇 、 安裝 、 接法有要求 。 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(dá) 800pF)、 測(cè)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 。 因此傳感器負(fù)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 。 a)測(cè)振幅 b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺 被測(cè)物 振動(dòng) 電容式 傳感器 被測(cè)軸 電容式 傳感器 缺點(diǎn)： 1． 輸出阻抗高 ， 負(fù)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 。 4． 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量 、 具有平均效應(yīng) 當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下 ,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù) 。 ?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 。 能在 高低溫 、 強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng) 等各種惡劣的環(huán)境條件下工作 ， 適應(yīng)能力強(qiáng) ， 尤其 可以承受很大的溫度變化 ， 在高壓力 、 高沖擊 、 過(guò)載 等情況下都能正常工作 。 ?此外傳感器可以做得體積很小 ， 以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量 。 采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量 ?C ????????????????? ???????? ????? 420 12 ??????CC二 、 特點(diǎn) 主要優(yōu)點(diǎn)： 1． 溫度穩(wěn)定性好 ?傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)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 。 由于 δ 取值不能大 ， 否則將降低靈敏度 ， 因此變極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi) ， 而且 ?δ 最大應(yīng)小于極板間距 δ 的 1/5～ 1/10。 顯然 ， 輸出電容 ?C與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系 。 例如 ， 對(duì)變面積型差動(dòng)式線位移電容式傳感器 ， 其靜態(tài)靈敏度為 ? ?120/ln2rrlClCkg???????對(duì)于 圓柱形變面積型 電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為 ? ?? ?? ?? ? ? ?121212 /ln4//ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg?????? ????????? ???????????可見(jiàn)比相應(yīng)單組式的靈敏度提高一倍。 雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長(zhǎng)度與靈敏度無(wú)關(guān) ， 但不可太小 ， 否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性 ?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于 103kV/mm）或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能。減小 δ 可以提高靈敏度。容；－傳感器引線的分布電；－諧振回路的固有電容－諧振回路電感；如下：振蕩器振蕩頻率CCCCLCCCCLLCff????????021021)(2121?? 第三節(jié) 主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 一 、 主要性能 靜態(tài)靈敏度 是被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比 。 ? 頻率變化由鑒頻器轉(zhuǎn)換為振幅變化，放大輸出。 ? 這里是假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) A=∞ ， 輸入阻抗 Zi=∞ ，因此仍然存在一定的非線性誤差 ， 但一般 A和 Zi足夠大 ，所以這種誤差很小 。其原理如圖 將 Cx = 代入上式得 A ～ uo C Cx u ∑ 運(yùn)算放大器式 電路原理圖 ? ? uCCuCjCjuxx ??????1)(10?? /)( S?? SuCu ??0 討論： ? 負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相 。 另外 ， 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源 ， 其電壓穩(wěn)定度高 ，不存在穩(wěn)頻 、 波形純度的要求 ， 也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 ， 對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高 。 設(shè)電容 C1和 C2的極間距離和面積分別為 δ δ 2和 S S2， 將平行板電容公式代入上式 ， 對(duì) 差動(dòng)式變極距型 和 變面積型 電容式傳感器可得 可見(jiàn)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于 任何差動(dòng)式電容式傳感器 ，并具有理論上的 線性特性 。 C C2的充電時(shí)間 T T2為 rLLL UUUCRT?? ln11 rLLL UUUCRT?? ln22則 UCC CCU21210 ????因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。 圖 46為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中 C C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等； A A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。 1121 CURRRRTI ELLC ???故在負(fù)載 RL上產(chǎn)生的電壓為 ? ? ? ? ? ?212210)(2 CCTURRRRRRIIRRRRU ELLLCCLL ???????四 、 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 又稱 差動(dòng)脈寬 (脈沖寬度 )調(diào)制電路 利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。根據(jù)一階電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容 C2的電流 iC2如下： C2 UE (b) Ｕ ｏ R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC