第三节 第三节 主要性能、特点与设计要点 主要性能、特点与设计要点 主要性能 特点 设计要点 返回 主要性能 主要性能 z (一) 静态灵敏度 被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其 变化的被测量变化之比 z (二) 非线性 返回上一页下一页 变极距型 变极距型，其静态灵敏度为 k C C g == ? ? ??δδ δδ 0 1 1 ( / ) 1/ <? δδ 将上式展开成泰勒级数得 k C g =++ ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? +?????? ? ? ? ? ? ? 0 234 1 δ δ δ δ δ δ δ δ δ ?? ? ? δ k g差动结构也可提高灵敏度 但δ过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm) 在极间加一层云母片(击穿电压>10 3 kv/mm)或塑料膜来 改善电容器耐压性能 返回上一页下一页 平板式变面积型 平板式变面积型 b δ ε δ ε abS C == 0 a △a ( ) a a C abbaaab C ? = ? = ?? ?=? 0 δ ε δ ε δ ε δ ε b a C a C k g == ? ? = 0 b δ k g 减小δ、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度 返回上一页下一页 圆柱变面积型 圆柱变面积型 k C l C lrr g === ? ? 0 21 2πε ln( / ) 灵敏度取决于，r 2与r 1越接近，灵敏度越高 rr 21 / 返回上一页下一页 变面积型差动式 变面积型差动式 ( ) () k C l ll rr ll rr l rr g == + ? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ?? ? 22 4 21 21 21 πε πε πε ln( / ) ln( / ) / ln( / ) 比相应单组式的灵敏度提高一倍 返回上一页下一页 (二 二 ) 非线性 非线性 ±?δ 变极距型 变极距型 ? ? ? ? ? CC C= ± = ± ? ? ? ? ? ? 00 1 1 δ δδ δ δδδ/ 1/ <? δδ 将上式展开成泰勒级数得 ? ??? ? CC=+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? +?????? ? ? ? ? ? ? 0 23 1 δ δ δ δ δ δ δ δ mm ? ?CC= 0 (/)δ δ 1/ <<? δδ δ取值不能大，否则将降低灵敏度 mmm 9.0~01.0) 5 1 ~ 10 1 ( μδδ ==? 返回上一页下一页 采用差动形式，并取两电容之差为输出量 ? ??? CC=+ ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? +?????? ? ? ? ? ? ? 21 0 24 δ δ δ δ δ δ 差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗作为电容式传感器输出量XC C =1/( )ω 被测量与δ成线性关系 δ ωεω SC X c 11 == δδ <<? 无需满足 返回上一页下一页 变面积型和变介电常数型电容式传感器 具有很好的线性(测厚除外) 条件：忽略边缘效应 实际：由于边缘效应引起极板(或极筒)间 电场分布不均匀，导致非线性问题仍然 存在，且灵敏度下降，但比变极距型好 得多。 返回上一页下一页 二、特点 二、特点 优点: 1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小） 2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应 返回上一页下一页 缺 缺 点： 点： 1、输出阻抗高、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几 十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采 用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达10 6 ～ 10 8 ?。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、 测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构 成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感 器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是 随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 返回上一页下一页 设计要点 设计要点 低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应 低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应 1. 减小环境温度湿度等变化所产生的影 响，保证绝缘材料的绝缘性能 2. 消除和减小边缘效应 3. 减小和消除寄生电容的影响 4. 防止和减小外界干扰 返回上一页下一页 3. 减小和消除寄生电容的影响 减小和消除寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相并联影响传感器灵敏度 ①增加传感器原始电容值 ②注意传感器的接地和屏蔽 ③集成化 ④采用“驱动电缆”技术 ⑤采用运算放大器法 ⑥整体屏蔽 返回上一页下一页 4. 防止和减小外界干扰 防止和减小外界干扰 z高阻抗传感元件，易受外界干扰的影响。 z当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间 感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就 会产生误差，甚至使传感器无法正常工作 z接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰 信号，也会带来误差和故障 返回上一页下一页 防止和减小干扰的措施 防止和减小干扰的措施 ①屏蔽和接地 ②增加原始电容量，降低容抗 ③导线间排列 距离远、直角排列、平行排列采用同轴屏蔽电缆线 ④尽可能一点接地，避免多点接地 地线用粗的良导体或宽印制线 返回上一页下一页 5、差动技术的运用 、差动技术的运用 减小非线性误差 提高传感器灵敏度 减小寄生电容的影响 温度、湿度等环境因素的影响 返回上一页