第四章电容传感器

null第四章 电容传感器第四章 电容传感器原理：被测量 --- 电容变化，平板电容器的电容量：一、电容传感器原理、结构与特性1、变极距型电容传感器初始电容量：极距变化：δ0 --- δ – Δδ 电容增大：电容相对变化：非线性-略去所有高次项 :特点：结构简单，分辨力高，非接触，应用：可在高温、辐射、振动等条件下工作null近似：略去三次以上项：非线性误差：结论:(4)差动结构：灵敏度提高一倍 非线性误差减小 补偿温度变化(1)只有测量范围很小时具有线性（近似）；(2)灵敏度与初始极距平方成反比：减小极距 ---提高灵敏度 ， 受限: (1)非线性误差增大；(2)极距过小---电容器击穿、短路 一般： δ0= 0.1~0.2mm , C0=20~100pF (3)灵敏度与介电常数成正比：ε=ε0εr 加入固体介质：高介电常数（云母/塑料）null2、变面积型电容传感器电容：(a)扇形平板结构； (b)柱面板结构相对变化：结论:灵敏度：(1)传感器输出为线性；(2)灵敏度与初始极距成反比：减小极距 ---提高灵敏度 ， (3)保持极距不变：中间移动式；(4)差动结构：提高灵敏度 null2、变介质型电容传感器电容：插入式：影响：降低灵敏度，产生非线性； 极板厚度h/极距δ之比 越大--严重； 边缘效应因子（表4-1）应用：测量厚度、湿度二、电容传感器存在问题及措施1、边缘效应:措施：带保护环---增强均匀性； 降低极板厚度---金属薄膜null2、静电引力：影响：电缆---寄生电容---与传感器电容并联 随机---影响输出特性， 电缆越长-影响越严重 远大于传感器电容(20~100pF)---淹没；影响：极板之间存在静电场---静电引力/力距---弹性元件---误差；3、寄生电容：措施：措施：理论计算---补偿，表4-2（1）增大传感器初始电容：减小极距，增大面积，减小寄生电容影响；（2）注意传感器的接地与屏蔽：屏蔽线至传感器壳内， “一点接地”（3）缩短电缆长度，加大线径：（4）小型化：将前置放大器与传感器安装在一个壳体内，固定不变（5）集成化：将传感器与前置电路集成于同一芯片上，最佳null（6）驱动电缆法：（7）整体屏蔽法：（8）虚地法：等电位屏蔽法 双层屏蔽等位传输法双层屏蔽电缆：内屏蔽层，外屏蔽层（接地）驱动放大器：增益为1，接内屏蔽层， 信号线与内屏蔽层等电位， 消除信号线与内屏蔽层之间电容要求：增益=1，准确（1/10000）；恒定不变（宽频带）；容性负载：内外屏蔽层间电容特点：精度高，抗干扰性能好，电路复杂，原理：将传感器、传输电缆和前置电 路统一屏蔽， 关键：如何接地 特点：效果好，结构复杂，信号线接放大器虚地(输入端)null（1）温度对传感器结构影响：4、温度影响：三、电容传感器特点及应用特点：分辨力极高（电容值10-7，相对值100%~200%，位移0.01μm）， 动极板质量小，惯性小，动态响应好； 非接触，自身发热和功耗小； 结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强温度变化---尺寸变化---电容变化（极距小时更敏感）---误差 材料不同---热胀系数不等---热变形不均匀---间隙加大---误差（2）温度对介质的影响：温度变化---介电常数变化---电容改变不同介质，影响程度不同---空气、云母等基本不变；液体影响大应用：微信息检测---测微仪、； 静态测量---金属零件计数 高频信号检测---振动，转速；null1-测杆： 2-片簧： 3-定极板； 4-动极板：1、电容式位移传感器：三、电容传感器特点及应用原理：变介质型 变极距型；2、电容式厚度传感器：特点：接触式测量差动结构：特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等null加速度 --- 质量块 --- 弹性元件 --- 变形 --- 电容 变面积型3、电容式加速度传感器：三、电容传感器特点及应用1-动极板 2-定极板 3-绝缘材料 4-弹性体 5-支架4、电容式力传感器：null压差 --- 膜片--- 变形 --- 电容 变极距型 差动结构5、电容式压力传感器：三、电容传感器特点及应用变介质型：液位传感器 --- 液位变化引起不同介电质的高度 物位传感器---非导电固体颗粒6、电容式液位/物位传感器：null1、差动式梳齿形容栅传感器四、容栅传感器2、多级片型容栅传感器3、特点：定极板---两组极栅，等间隔，交叉 动极板---极距相同，栅宽相同相对移动---电容周期变化---脉冲信号多个差动式变面积型电容传感器的并联 动尺---一系列发射电极片，宽度间隔l0 定尺---一系列接收电极片，宽度间隔l0/4相对移动---电容周期变化---脉冲信号多个差动式变面积型电容传感器的并联4、应用：量程大---长定尺，150mm, 300mm 精度高---误差平均效应测量位移---数显卡尺，分辨力0.01mm