【正文】 4是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線(xiàn)圈 ， 流過(guò) Z3和 Z4的電流大小基本相等但方向相反 。 下圖是差動(dòng)電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng) ， 屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂 Z3和 Z4中間 ，使電纜芯線(xiàn)與其屏蔽 層之間的寄生電容 CP1和CP2分別與 Z3和 Z4相并聯(lián)。F)時(shí)，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，電纜可以長(zhǎng)達(dá) 10m，儀器仍能正常工作。 因此 “ 驅(qū)動(dòng)電纜 ” 技術(shù)對(duì) 1:1放大器要求很高 ， 電路復(fù)雜 ， 但能保證電容式傳感器的電容值 小于1pF時(shí) ， 也能正常工作 。 內(nèi)外屏蔽層之間的電容是 1:1放大器的負(fù)載 。 但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高 、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用 。 （ 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(xiàn) 。 由于屏蔽線(xiàn)上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓 ， 因此稱(chēng)為 “ 驅(qū)動(dòng)電纜 ” 。 絕緣體 屏蔽殼 固定極筒 可動(dòng)極筒 連桿 導(dǎo)桿 接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 （ 4） 采用 “ 驅(qū)動(dòng)電纜 ” (雙層屏蔽等位傳輸 )技術(shù) 當(dāng)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(cè)量電路只能與傳感器分開(kāi)時(shí) ， 可采用 “ 驅(qū)動(dòng)電纜 ” 技術(shù) 。 引線(xiàn)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) 。一般電容值變化在 103~103 pF范圍內(nèi) ， 相對(duì)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(hào)影響儀器的精度 ， 必須消除和減小它 。 傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降 。 選用 50kHz至幾 MHz作為電容傳感器的 電源頻率 ， 以降低對(duì)傳感器絕緣部分的絕緣要求 。 這種誤差雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償 ， 但無(wú)法完全消除 。 盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的 電介質(zhì)（ 也不受濕度變化的影響 ） 作為電容式傳感器的電介質(zhì) 。 雖然這些材料較難加工 ， 但性能遠(yuǎn)高于塑料 、 有機(jī)玻璃等 。 因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)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 。 若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(hù)作用 ， 可防塵 、 防濕 、 防腐蝕 ， 并在高溫下可減少表面損耗 、 降低溫度系數(shù) ， 但成本較高 。 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 。 因此必須從選材 、 結(jié)構(gòu) 、 加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能 。 （ a） 消除邊沿效應(yīng)原理圖 （ b） 帶保護(hù)環(huán)的電容傳感器結(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 減小 環(huán)境溫度 、 濕度 等變化所產(chǎn)生的誤差 ,以保證絕緣材料的絕緣性能 ,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 。 邊緣效應(yīng)造成邊緣電場(chǎng)產(chǎn)生畸變 ， 使工作不穩(wěn) ， 非線(xiàn)性誤差也增加 。 因此對(duì)電纜選擇 、 安裝 、 接法有要求 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 電容傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 電容式傳感器所具有的高靈敏度 、 高精度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì) 、 選材以及精細(xì)的加工工藝分不開(kāi)的 。 電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度 、 高精度 ， 在動(dòng)態(tài) 、 低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器 。 否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加 ， 使輸出特性非線(xiàn)性 。 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)輸出特性非線(xiàn)性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線(xiàn)性的 ， 雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善 ， 但不可能完全消除 。 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 ） ， 為此還要特別注意周?chē)h(huán)境如溫濕度 、 清潔度等對(duì)絕緣性能的影響 。 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)輸出阻抗高 ， 負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制 ， 一般為幾十到幾百 pF， 使傳感器的輸出阻抗很高 ， 尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí) ， 輸出阻抗高達(dá) 106～ 108Ω 。 當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí) ,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(duì)測(cè)量的影響 。 它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù) ， 如測(cè)量振動(dòng) 、 瞬時(shí)壓力等 。 (4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小 ， （ 約幾個(gè) 105N） ， 需要的作用能量極小 ， 又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄 ， 即質(zhì)量很輕 ， 因此其 固有頻率很高 ， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短 ，能在幾 MHz的頻率下工作 ， 特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量 。 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(guān) 。 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 。 (2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 易于制造 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(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 ， 且空氣等介質(zhì)損耗很小 ， 因此只要從強(qiáng)度 、 溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮 ， 合理選擇材料和幾何尺寸即可 ， 其他因素 (因 本身發(fā)熱極小 ) 影響甚微 。 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）若被測(cè)介質(zhì)充滿(mǎn)兩極板間，則 d=a，此時(shí)初始電容為 00r SCd???，則， ,即 r r r? ? ?? ? ? rC C C C ?? ? ? ?? ? 0 000rr rrS SC C C Cdd?? ? ? ???? ?? ? ? ? ? ?若 0r SCd?????可見(jiàn)， 與 ?? r 成線(xiàn)性關(guān)系。設(shè)電容器極板面積為 S，間隙為 a，當(dāng)有一厚度為 d，相對(duì)介電常數(shù)為 ? r的固體介質(zhì)通過(guò)極板間隙，相當(dāng)于電容串聯(lián)，因此電容器的電容值為： 0001rrSCa d d dadSS?? ? ? ???? ? ? ? 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)若改變固體介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) ， 則有電容量的相對(duì)變化為 : r r r? ? ?? ? ?23232 3 3 3111rr rrr r r rr r r rCNCNN N N N?? ??? ? ? ?? ? ? ???? ? ????? ?????? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ?211/rN a d d?? ??? ?311/ rN d a d?? ??其中， ，為靈敏度因子，隨間隙比 d/(ad)增大 為非線(xiàn)性因子，隨間隙比 d/(ad)增大而減小。 設(shè) C1為液體有效高度 hx形成的電容， C2為空氣高度（ hhx）形成的 電容，則： 由于 C1和 C2為并聯(lián) ， 所以總電容為 : 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 0 0 02 1 2 1 2 1 2 100002 2 ( ) 2 2 ( )( ) ( ) ( ) ( )()x x x xxh h h h hCl n r r l n r r l n r r l n r rC C hh