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1、测量电路1.2第第4章章 电容式传感器电容式传感器基本工作原理、结构及特性4.14.2误差分析4.3电容式传感器的医学应用4.4第1页/共61页电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器电容量变化的一种传感器。结构简单、高分。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前
2、途的传感器。途的传感器。第第4章章 电容式传感器电容式传感器第2页/共61页第第4章章 电容式传感器电容式传感器第一节第一节 基本工作原理、结构和特性基本工作原理、结构和特性 两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，当忽略边缘效应时，它的电容量为它的电容量为:式式中中d、S或或三三个个参参量量中中任任意意一一个个发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容量量的的变变化化，再再通通过过测测量量电电路路就就可可转转换换为为电电量量输输出出。因因此此，电电容容式式传传感感器器可可分分为为变变间间距距型型、变变面积型面积型和和变介质型变介质型三种类型三种类型 。第3页/共6
3、1页第第4章章 电容式传感器电容式传感器当传感器的当传感器的和和S为常数，初始极距为为常数，初始极距为d，当忽略边缘当忽略边缘效应时，效应时，可知其初始电容量可知其初始电容量C0为为一、一、变间距型电容传感器变间距型电容传感器 变极距型电容传感器原理图变极距型电容传感器原理图第4页/共61页当可动极板向下移动当可动极板向下移动d 时，电容量变为时，电容量变为电容的变化量为电容的变化量为 第第4章章 电容式传感器电容式传感器负号表示：电容的变化是随着两极板间距的负号表示：电容的变化是随着两极板间距的增大而减小增大而减小的。的。电容的相对变化量电容的相对变化量灵敏度灵敏度变间距型电容传感器的电变间
4、距型电容传感器的电容容C随间距的变化时随间距的变化时非线非线性的性的。第5页/共61页如果满足条件如果满足条件(d/d)1，则可按级数展开成，则可按级数展开成第第4章章 电容式传感器电容式传感器略去高次略去高次(非线性非线性)项，则项，则 近似呈线性关系近似呈线性关系灵敏度灵敏度第6页/共61页第第4章章 电容式传感器电容式传感器如果考虑式中级数展开中的一次如果考虑式中级数展开中的一次项，则项，则 其相对非线性误差其相对非线性误差第7页/共61页第4章 电容式传感器变极距型电容传感器只有在变极距型电容传感器只有在|d/d|很小很小(小测量小测量范围范围)时，才有近似的时，才有近似的线性输出线性
5、输出；欲提高灵敏度，应减小间隙欲提高灵敏度，应减小间隙d，但，但d的减小，一的减小，一是将是将增大非线性增大非线性，二是也会受到电容器，二是也会受到电容器击穿电压击穿电压的影响的影响；为改善非线性，可以采用为改善非线性，可以采用差动式差动式。第8页/共61页动极板置于两定极板之间，初始位置时，d1d2d，两边初始电容相等。当动板向上移 d时，两边极距变化为:第4章 电容式传感器按级数展开：电容总的变化量为：第9页/共61页灵敏度提高一倍，非线性误差减小。灵敏度提高一倍，非线性误差减小。电容值相对变化量为电容值相对变化量为忽略高次项，则此电容传感器的线性关系近忽略高次项，则此电容传感器的线性关系
6、近似为：似为：灵敏度灵敏度其相对非线性误差其相对非线性误差第4章 电容式传感器第10页/共61页第第4章章 电容式传感器电容式传感器二、二、变面积型电容传感器变面积型电容传感器 设两矩形极板间覆盖面积为设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动，当动极板移动X，则，则面积面积S发生变化，电容量也改变。发生变化，电容量也改变。灵敏度：第11页/共61页增大介电常数增大介电常数、极板边长极板边长b或或减小极板间距减小极板间距d，都可以提高传感器的灵敏度；都可以提高传感器的灵敏度；极板宽度极板宽度a的大小不影响灵敏度，但的大小不影响灵敏度，但不能太小不能太小，否则否则边缘电场边缘电场影响增大，非线性将
7、增大；影响增大，非线性将增大；X变化不能太大变化不能太大，否则边缘效应会使传感器，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。特性产生非线性变化。第4章 电容式传感器变面积式电容传感器输出是变面积式电容传感器输出是线性线性的，灵敏度为一常数。的，灵敏度为一常数。第12页/共61页为了提高灵敏度和克服极板的边缘效应，改善非线为了提高灵敏度和克服极板的边缘效应，改善非线性。可采用如图所示的性。可采用如图所示的差动式差动式变面积型传感器。变面积型传感器。该传感器有三个极板，上面的为可动电极，也是公该传感器有三个极板，上面的为可动电极，也是公共电极，它与两个固定电极分别电容共电极，它与两个固定电极分别电
8、容C1 和和C2，当可，当可动电极向右（或向左）移动时，电容动电极向右（或向左）移动时，电容C1减小减小（或增（或增加），而电容加），而电容C2增加增加（或减小），差动输出，（或减小），差动输出，提高了灵敏度，非线性提高了灵敏度，非线性得到改善。得到改善。第13页/共61页第14页/共61页第第4章章 电容式传感器电容式传感器图示为平板形线位移传感器结构原理图，设平行板面积为S=Lb，在忽略边缘效应时，当电容器内无介电常数为1的电介质时，电容器的电容为插入介电常数为1的电介质时，电容器的电容变为三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器 电容电容C与介电常数为与介电常数为1的电介质的
9、位移的电介质的位移x成线性关系成线性关系第15页/共61页被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。1液体介质介电常数；0空气中介电常数（F/m）；h电极板总长度（m）；r内电极板外径（m）；R外电极板内径（m）；x液面高度（m）。可见，输出电容C与液面高度x 成线性关系。液面高度液面高度第16页/共61页置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成，并与储存罐等高。储存罐也是圆柱形，半径为25cm，高为1.2m，被储存液体的r=2.1。试计算传感器的最小电容和最大电容以及传感器用在该储存罐内的
10、灵敏度。解：当被测液位为零时，传感器电容最小，即有同理，当被测液位高度最大，即h=H=1.2m时传感器电容最大，即有储存罐的容积为故传感器的灵敏度为第17页/共61页有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm2，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数为1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。第18页/共61页第二节第二节 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。目前的测量电路种类很多，一般可归为调幅、调频、脉冲三大类型。调幅测量电路-用被测量调制电路中输出量幅度的电路。调频测量电路-用
11、被测量调制电路中输出量频率的电路。脉冲调制测量电路-用被测量调制电路中脉冲输出量的电路。第19页/共61页(一一)交流电桥测量电路交流电桥测量电路一、一、调幅测量电路调幅测量电路电桥初始处于平衡状态，且输出端开路，有电桥初始处于平衡状态，且输出端开路，有当被测量变化时，将引起阻抗当被测量变化时，将引起阻抗Z1变化变化Z，于是，于是电桥失去平衡，输出电压为电桥失去平衡，输出电压为将电桥平衡条件将电桥平衡条件Z1Z4=Z2Z3代入，设桥臂比代入，设桥臂比Z1/Z2=n，并考虑到，并考虑到ZZ，得，得电桥的桥臂系数电桥的桥臂系数传感器阻抗相对变化率传感器阻抗相对变化率第20页/共61页对于电容式传感
12、器，对于电容式传感器，Z1为容抗，则有为容抗，则有电容式传感器阻抗相对变化率是一个实数，与电容式传感器阻抗相对变化率是一个实数，与C近似成线性近似成线性关系关系。而桥臂比而桥臂比式中是式中是桥臂比桥臂比n的模的模；是是桥臂比桥臂比n的相角的相角。所以，桥臂比所以，桥臂比n是一个复数，是信号频率的函数。是一个复数，是信号频率的函数。第21页/共61页当当a=1时，时，|K|为为最大值最大值Km，Km随着随着而变化而变化；=0时，时，Km=0.25，输出电压与电源电压，输出电压与电源电压同相位同相位；=90时，时，Km=0.5，输出电压相对电源电压，输出电压相对电源电压发生发生90相移相移；=18
13、0时，时，Km=，电桥发生振荡，输出电压，电桥发生振荡，输出电压趋于无限大趋于无限大。桥臂系数桥臂系数K为复数，表示为为复数，表示为。整理得。整理得K的模和相角为的模和相角为第22页/共61页当当a=1时，无论时，无论为任何值，为任何值，始终为零，即始终为零，即输出与电源同相位输出与电源同相位；当当a时，时，为最大值，且为最大值，且=；当当=0时，时，=0，这意味着当桥臂，这意味着当桥臂Z1、Z2是相同性质元件时，无论是相同性质元件时，无论a为任何值，为任何值，输出电压都与电源电压同相输出电压都与电源电压同相。桥臂系数桥臂系数K为复数，表示为为复数，表示为。整理得。整理得K的模和相角为的模和相
14、角为因此，在桥路电源电压和传感元件阻抗相对变化量因此，在桥路电源电压和传感元件阻抗相对变化量一定时，应一定时，应满足满足两桥臂初始阻抗模相等两桥臂初始阻抗模相等（a=1），且使），且使两桥臂阻抗角差两桥臂阻抗角差尽尽量增大量增大。第23页/共61页电桥电路电桥电路电桥电路电桥电路 为了桥路平衡,四个桥臂中必须接入两个电容，另外两个桥臂接入其他类阻抗元件，如：两个电阻、两个电感、或两个电容。第24页/共61页第25页/共61页当当RL时时第26页/共61页代入，得代入，得若在该电路中接入的电容式传感若在该电路中接入的电容式传感器是变间距型，则器是变间距型，则代入，得代入，得若在该电路中接入的电容
15、式若在该电路中接入的电容式传感器是变面积型，则传感器是变面积型，则结论：当放大器输入阻抗极大时，电结论：当放大器输入阻抗极大时，电桥的输出电压与输入量成线性。桥的输出电压与输入量成线性。第27页/共61页电路的主要特点：必须接成差动形式使用；电桥的交流激励源的幅值和频率要稳定；要求后续电路输入阻抗无限大。第28页/共61页C为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi)，因，因此可视作理想运算放大器。此可视作理想运算放大器。C0为一固定电容为一固定电容(二二)运算放大器测量
16、电路运算放大器测量电路整理得整理得如果传感器的电容式由平行板构成，如果传感器的电容式由平行板构成，则则第29页/共61页可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。的非线性问题。的非线性问题。的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大上式是在运算
17、放大器的放大倍数和输入阻抗无限大上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。的非线性。的非线性。的非线性。第30页/共61页二、二、调频测量电路调频测量电路Cxf振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器高频振荡回路的振荡频率高频振荡回路的振荡频率传感器起始电容引线分布电容振荡回路固定电容当被测量没有变化时，当被测量没有变化时，第31页/共61页当被测量改变
18、时，振荡器频率随之有个相应的改当被测量改变时，振荡器频率随之有个相应的改变量变量 f，称，称为为频偏频偏。整理得整理得可见当输入量导致电容发生改变时，振荡器的振荡频率可见当输入量导致电容发生改变时，振荡器的振荡频率可见当输入量导致电容发生改变时，振荡器的振荡频率可见当输入量导致电容发生改变时，振荡器的振荡频率f f也随也随也随也随之发生相应变化，实现了由电容到频率的转换。之发生相应变化，实现了由电容到频率的转换。之发生相应变化，实现了由电容到频率的转换。之发生相应变化，实现了由电容到频率的转换。在测量电路中，伴随频率的改变，振荡器输出幅值往往也会在测量电路中，伴随频率的改变，振荡器输出幅值往往
19、也会改变，为克服后者，在振荡器之后要加改变，为克服后者，在振荡器之后要加限幅环节限幅环节。第32页/共61页第33页/共61页(一一)二极管二极管T T形网络形网络三、三、脉冲调制测量电路脉冲调制测量电路若将二极管理想化，则正半周时，若将二极管理想化，则正半周时，若将二极管理想化，则正半周时，若将二极管理想化，则正半周时，二极管二极管二极管二极管D D1 1导通、导通、导通、导通、D D2 2截止，电容截止，电容截止，电容截止，电容C C1 1被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至被以极短的时间充电至U UE E，如图如图如图如图(b)(b)所示。在负半周时，二极所示。在
20、负半周时，二极所示。在负半周时，二极所示。在负半周时，二极管管管管D D2 2导通、导通、导通、导通、D D1 1截止，电容截止，电容截止，电容截止，电容C2C2很快被充电至电压很快被充电至电压很快被充电至电压很快被充电至电压-U-UE E，如图，如图，如图，如图(c)(c)所示。所示。所示。所示。第34页/共61页当当当当t=tt=t1 1时进入负半周，时进入负半周，时进入负半周，时进入负半周，C C2 2很快被充很快被充很快被充很快被充电至电压电至电压电至电压电至电压-U UE E，但此时，但此时，但此时，但此时C C1 1上的电荷上的电荷上的电荷上的电荷还来不及通过负载电阻还来不及通过负
21、载电阻还来不及通过负载电阻还来不及通过负载电阻R RL L放电，放电，放电，放电，电压仍为电压仍为电压仍为电压仍为U UE E。由于。由于。由于。由于R R1 1=R=R2 2=R=R，在，在，在，在t t1 1瞬间，瞬间，瞬间，瞬间，c c点和点和点和点和o o点电势相等，点电势相等，点电势相等，点电势相等，R RL L上电流为零。随着上电流为零。随着上电流为零。随着上电流为零。随着C C1 1放电，放电，放电，放电，c c点电势越来越比点电势越来越比点电势越来越比点电势越来越比o o点低，则点低，则点低，则点低，则R RL L上电流逐渐增大。上电流逐渐增大。上电流逐渐增大。上电流逐渐增大。
22、故在负载故在负载故在负载故在负载R RL L上产生的电压为：上产生的电压为：上产生的电压为：上产生的电压为：第35页/共61页当当当当R R R RL L L L已知时，已知时，已知时，已知时，常数，设为常数，设为常数，设为常数，设为K K K K，则，则，则，则输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T T形网络中的电容形网络中的电容形网络中的电容形网络中的电容C C1 1和和和和C C2 2的差值有关。的差值有关。的差值有关。的差值有关。当电源电压
23、确当电源电压确当电源电压确当电源电压确定后，输出电压只是电容定后，输出电压只是电容定后，输出电压只是电容定后，输出电压只是电容C C1 1和和和和C C2 2 的函数的函数的函数的函数。第36页/共61页利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测
24、量变化的直流信号。化的直流信号。化的直流信号。化的直流信号。C C1 1、C C2 2为差动式传感器为差动式传感器为差动式传感器为差动式传感器的两个电容；的两个电容；的两个电容；的两个电容；A A1 1、A A2 2是是是是两个比较器，两个比较器，两个比较器，两个比较器，U Ur r为其参为其参为其参为其参考电压。考电压。考电压。考电压。(二二)脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路第37页/共61页脉冲调宽电路波形图脉冲调宽电路波形图C C1 1、C C2 2的充电时间的充电时间的充电时间的充电时间T T1 1、T T2 2为为为为：A A、B B两点间的电压经低通滤波器两点间的电压经低通滤波器两
25、点间的电压经低通滤波器两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于滤波后获得，等于滤波后获得，等于滤波后获得，等于A A、B B两点电压两点电压两点电压两点电压平均值平均值平均值平均值U UA A与与与与U UB B之差之差之差之差第38页/共61页设设R R1 1 1 1R R2 2 2 2R R，则则则则 说明差动脉冲调制电路输出的说明差动脉冲调制电路输出的说明差动脉冲调制电路输出的说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电直流电压与传感器两电直流电压与传感器两电直流电压与传感器两电容差值成正比。容差值成正比。容差值成正比。容差值成正比。可见可见可见可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电
26、容传感差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。器，并具有理论上的线性特性。器，并具有理论上的线性特性。器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，该电路采用直流电源，该电路采用直流电源，该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通
27、需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。要求也不高。要求也不高。要求也不高。第39页/共61页例题：例题：P54解解:(1)根据运放知识，得根据运放知识，得题目中题目中为了满足为了满足U0与与x呈线性关系，呈线性关系，Cx应接在输入回路应接在输入回路C1位置，位置，CF应接在反馈回路应接在反馈回路C2位置，此时有位置，此时有第40页/共61页(3)由
28、由U0的表达式求该测量变换系统的输出电压灵敏度的表达式求该测量变换系统的输出电压灵敏度(2)由由Cx的表达式求电容式传感器的灵敏度的表达式求电容式传感器的灵敏度第41页/共61页第二节第二节 电容式传感器的误差分析电容式传感器的误差分析一、等效电路一、等效电路图中图中C为传感器电容，为传感器电容，Rp为损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；为损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为引线、极板、金属支座等引起的的串联损耗电阻；为引线、极板、金属支座等引起的的串联损耗电阻；Ls为电流回路的总电感；为电流回路的总电感；Cp为寄生电容，分析可视为寄生电容，分析可视为为含于传感器电容含于传感
29、器电容C中。中。在电容器的各种损耗、电场边缘效应、寄生与分布电容等因在电容器的各种损耗、电场边缘效应、寄生与分布电容等因素不可忽略时，其等效阻抗素不可忽略时，其等效阻抗第42页/共61页由于传感器并联电阻由于传感器并联电阻Rp一般都很大，一般都很大，Rs又相对较小，因又相对较小，因而简化后可得等效电容而简化后可得等效电容则电容的实际相对变化量为则电容的实际相对变化量为在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。时都必须对测量
30、系统重新进行标定。时都必须对测量系统重新进行标定。时都必须对测量系统重新进行标定。第43页/共61页第44页/共61页二、边缘效应二、边缘效应以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。电容器两极板间的电场线电容器两极板间的电场线中间部分是均匀的中间部分是均匀的，到了，到了边缘会边缘会发生弯曲发生弯曲。这时，对极板半径为。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：其电容值应按下式计算：为了克服边缘效应，应尽量增大前一项，减小后一项。为了克服边缘效应，应尽量增大前一项，减小后一项。增大前项增大前项
31、，意味着增大极板面积，减小极板间距；，意味着增大极板面积，减小极板间距；减小后项减小后项，意味着极板厚度要尽量小于极板间距。，意味着极板厚度要尽量小于极板间距。第45页/共61页 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环保护环的结构，如图的结构，如图所示。所示。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布中间工作区得到均匀的场
32、强分布，从而克，从而克服边缘效应的影响。服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。涂一薄层金属作为极板。第46页/共61页三、寄生与分布电容三、寄生与分布电容 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小很小(几几pFpF到几十到几十pF)pF)，因此极易受外界干扰，尤其是，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰。
33、消灭寄生电容影响，是电容式传感器实电容的干扰。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键用的关键。消除寄生与分布电容的影响，一是可从消除寄生与分布电容的影响，一是可从改善传感器结改善传感器结构和尺寸构和尺寸下手，即增加初始电容值，使寄生与分布电下手，即增加初始电容值，使寄生与分布电容对传感器的影响减小。二是使用容对传感器的影响减小。二是使用各种屏蔽技术各种屏蔽技术。第47页/共61页(一一)、驱动电缆法、驱动电缆法它实际上是一种等它实际上是一种等电位屏蔽法。如图所示：电位屏蔽法。如图所示：在电容传感器与测量电在电容传感器与测量电路的前置级之间采用路的前置级之间采用双双层屏蔽电缆层屏蔽电缆。1
34、1：1 1+测量测量电路电路外屏蔽层外屏蔽层内屏蔽层内屏蔽层芯线芯线传传感感器器-内屏蔽层内屏蔽层与信号传输导线通过与信号传输导线通过增益为增益为1的放大器的放大器相相连而为等电势。电缆外屏蔽层连而为等电势。电缆外屏蔽层接大地接大地，用来防止外，用来防止外界电场的干扰。界电场的干扰。第48页/共61页 这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响 ；而；而内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输入阻抗很
35、高、具有容性负载、因此驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为放大倍数为1 1的同相放大器。的同相放大器。1 1：1 1+测量测量电路电路外屏蔽层外屏蔽层内屏蔽层内屏蔽层芯线芯线传传感感器器-该方法的难处是，该方法的难处是，要在很宽的频带上要在很宽的频带上严格实现严格实现放大倍数放大倍数等于等于1 1，且输出与，且输出与输入的输入的相移为零相移为零。第49页/共61页例题：例题：P58解：由图可知，传感器解：由图可知，传感器Cx两端电压为两端电压为而放大器而放大器-Aa的输出电压为的输出电压为当当时，电缆芯线与内屏蔽线等电势，有时，电缆芯线与内屏蔽线等电势，有即即第50页/共61
36、页(二二)、整体屏蔽法、整体屏蔽法C C1 1C C2 2C CP P1 1C CP P2 2R R1 1R R2 2-A A以差动电容传感器配用电桥测量电路为例，如图所示。以差动电容传感器配用电桥测量电路为例，如图所示。C C1 1和和和和C C2 2构成差动电容传感器构成差动电容传感器构成差动电容传感器构成差动电容传感器，与平衡电阻，与平衡电阻，与平衡电阻，与平衡电阻R R1 1和和和和R R2 2组成测量电桥，组成测量电桥，组成测量电桥，组成测量电桥，C Cp1p1和和和和C Cp2p2为寄生电容为寄生电容为寄生电容为寄生电容。U U屏屏蔽蔽层层接接地地点点选选择择在在两两平平衡衡电电阻
37、阻阻阻抗抗臂臂R1和和R2中中间间，使使电电缆缆芯芯线线与与其其屏屏蔽蔽层层之之间间的的寄寄生生电电容容Cp1和和Cp2分分别别与与R1和和R2相相并并联联。如如果果R1和和R2比比Cp1和和Cp2的的容抗小得多容抗小得多，则寄生，则寄生电容电容Cp1和和Cp2对电桥对电桥平衡状态的影响就很平衡状态的影响就很小。小。第51页/共61页四、环境温度四、环境温度设设一一变变极极距距型型电电容容式式传传感感器器，设设固固定定极极板板厚厚度度为为h，线线胀胀系系数数为为ah；绝绝缘缘件件厚厚度度为为b，线线胀胀系系数数为为ab；可可动动版版至至绝绝缘缘层层底底部的壳体长为部的壳体长为L，线胀系数为，线
38、胀系数为aL。当环境温度为当环境温度为t时，时，极板间距为极板间距为d=L-b-h。当环境温度变化当环境温度变化t时，时，极板间距变为极板间距变为dt，有，有第52页/共61页将将d=L-b-h带入，整理得带入，整理得消除由温度变化而引起的电容相对误差的条件为消除由温度变化而引起的电容相对误差的条件为在设计电容式传感器时，应首先根据根据在设计电容式传感器时，应首先根据根据合理的初始电容合理的初始电容决定决定极板间隙极板间隙d，然后再根据，然后再根据材料的线胀系数材料的线胀系数ah、ab、aL，适当地，适当地选选择择b和和h，就可，就可消除消除由环境温度变化而引起的由环境温度变化而引起的电容量相
39、对误差电容量相对误差。由于温度变化而引起的电容量相对误差为由于温度变化而引起的电容量相对误差为第53页/共61页第四节电容式传感器的医学应用一、电容式压力传感器及血压测量一、电容式压力传感器及血压测量腔腔室室通通过过排排气气孔孔接接通通到到大大气气。膜膜片片上上有有两两个个电电极极，圆圆形形的的为为工工作作电电极极，与与公公共共电电极极组组成成敏敏感感电电容容Cx；环环形形的的为为参参比比电电极极，与与公共电极组成公共电极组成参比电容参比电容CR。等效为两个电容。等效为两个电容串联排列串联排列。第54页/共61页当当被被测测血血压压P均均匀匀作作用用在在膜膜片片上上时时，膜膜片片挠挠曲曲变变形
40、形。若若膜膜片片厚厚度度h远大于挠曲变形的最大值，其敏感电容远大于挠曲变形的最大值，其敏感电容Cx与血压与血压P有如下关系：有如下关系：采用如图的测量电路。初始时刻，血压采用如图的测量电路。初始时刻，血压为零，调节电势器为零，调节电势器W使使桥路平衡桥路平衡，输出，输出电压为零电压为零；测量时，在血压压力的作用；测量时，在血压压力的作用下，膜片挠曲使敏感电容发生变化，导下，膜片挠曲使敏感电容发生变化，导致桥路不平衡，则输出电压为致桥路不平衡，则输出电压为第55页/共61页求求得得输输出出电电压压与与被被测测血血压压P成成正正比比，输出特性输出特性呈线性呈线性。第56页/共61页二、直流极化型电
41、容式传感器及呼吸测量二、直流极化型电容式传感器及呼吸测量当当参参比比光光束束和和测测量量光光束束射射入入到到左左右右两两边边接接收收室室后后，被被接接收收室室的的气气体体所吸收所吸收，使，使气体温度升高气体温度升高，室内压强增加室内压强增加。若若参参比比光光束束和和测测量量光光束束取取自自同同一一光光源源，则则两两边边室室内内压压强强相相等等，可可动动电极将维持在电极将维持在平衡位置平衡位置。若若被测气体浓度增加被测气体浓度增加，则测量光束的则测量光束的入射量减入射量减少少，导致测量室内气体，导致测量室内气体吸收能量吸收能量少于少于参比室吸参比室吸收能量，而使收能量，而使两室压强两室压强不相等不相等，可动电极，可动电极发生发生位移位移，从而，从而改变电容量改变电容量。第57页/共61页作业：作业：P61习题习题1、2（0.025）、5第58页/共61页第59页/共61页第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页