【正文】 的介質(zhì)一部分是被測液位的液體，一部分是空氣。 另一種測量介質(zhì)介電常數(shù)變化的電容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖。 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。測量液體介質(zhì)介電常數(shù)的變化即屬此情況，如測原油含水率。 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 。 能在高低溫 、 強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各種惡劣的環(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 、 過載等情況下都能正常工作 ，能測超高壓和低壓差 ， 也能對帶磁工件進(jìn)行測量 。 電容傳感器的特點 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 。 一般說來 ， 這種靜電引力是很小的 ， 因此只有對推動力很小的彈性敏感元件 ， 才須考慮因靜電引力造成的測量誤差 。 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 。 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)可以實現(xiàn)非接觸測量 、 具有平均效應(yīng) 當(dāng)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) 。 電容式傳感器除上述優(yōu)點之外 ， 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 。 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 ， 嚴(yán)重時甚至無法工作 ， 必須采取屏蔽措施 ， 從而給設(shè)計和使用帶來不便 。 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 。 其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時 ， 輸出特性才呈線性 。 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 。 (2)寄生電容影響大 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 ， ① 降低了傳感器的靈敏度； ② 這些電容 (如電纜電容 )常常是隨機(jī)變化的 ， 將使傳感器工作不穩(wěn)定 ，影響測量精度 ， 其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量 ， 致使傳感器無法工作 。 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 。為了消除邊緣效應(yīng)的影響 ， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計時 ， 可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu) ， 如圖所示 。 濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值 。 電容式傳感器的 金屬電極的材料 以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好 ， 但較難加工 。 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 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 傳感器內(nèi) ， 電極的支架 除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能 。 例如石英 、 云母 、 人造寶石及各種陶瓷等做支架 。 在溫度不太高的環(huán)境下 ， 聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能 ， 可以考慮選用 。 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 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 在可能的情況下 ,傳感器內(nèi)盡量采用 差動對稱 結(jié)構(gòu) ,這樣可以通過某些類型的測量電路 (如電橋 )來減小溫度等誤差 。 傳感器內(nèi)所有的 零件 應(yīng)先進(jìn)行清洗 、 烘干后再裝配 。 傳感器的殼體剛性要好 ， 以免安裝時變形 。 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 。 （ 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 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） 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 。 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 。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 。 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 。 采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá) 10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能 ， 如圖 。 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 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 4章 電容式傳感器 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 。 1： 1 ＋ － 測量 電路 前置級 外屏蔽層 內(nèi)屏蔽層 芯線 傳感器 “驅(qū)動電纜 ” 技術(shù)原理圖 當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大 (幾百181。 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 ， 正確選取接地點可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾 。如果 Z3和 Z4比 CP1和 CP2的容抗小得多，則寄生電容 CP1和 CP2對電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。 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 。 還可以再加一層屏蔽 ， 所加外屏蔽層接地點則選在差動式電容傳感器兩電容 C1和 C2之間 。 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仍可采用一般的同軸屏蔽電纜 。 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． 防止和減小外界干擾 當(dāng)外界干擾 (如電磁場 )在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差 。 此外 ， 接地點不同所產(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 。 傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測量電路前置級等等 。 ?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 。 地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€ 。 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 。 電容式傳感器電容量一般很小 ， 容抗很大 ， 而工作頻率一般較高 ，故略去圖中電阻的影響 ， 電容式傳感器的