電容式壓力傳感器

關(guān)于電容式壓力傳感器第1頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件（電阻、電感和電容）之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量，進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。第2頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三優(yōu)點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、動態(tài)響應(yīng)時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點得以充分發(fā)揮。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。第3頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三C——電容量，單位：F法拉——真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m——極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)S——極板的有效面積（m2）d——兩平行極板間的距離（m）平板電容器一、工作原理第4頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

d、A

和r

中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容C0、d

或A

的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；r

的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。第5頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三1.變極距型電容傳感器C0—極距為時的初始電容量C—電容變化量第6頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三C-d特性曲線

該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度)的影響，常常作成差動式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y量電路來改善其非線性。第7頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三泰勒級數(shù)展開第8頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三(2)考慮二次項(1)略去高次項討論：相對非線性誤差ef為：

第9頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三2.變面積型電容傳感器第11頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為2、變面積型電容傳感器l—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r2、r1—圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。第12頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數(shù)。

當(dāng)兩圓筒相對移動Δl時，電容變化量ΔC為第13頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三3、變介電常數(shù)型電容傳感器

變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為

第14頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三δx厚度傳感器C1C2C3C第15頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為

C1C2C3CC4l平板形lx第16頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三a、b、lx:固定極板長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度；Δ：兩固定極板間的距離；δx、ε、ε0:被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。

第17頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為

液位傳感器hC1CC2可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。

2r12r2hx第18頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的εr

＝2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：第19頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三二、轉(zhuǎn)換電路（一）

電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感：r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；Rg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。C0CpRgLrCeReLreCe供電電源頻率為諧振頻率的1/3~1/2第20頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂(另一個臂為固定電容)或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個二次線圈。其中另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。（二）測量電路1、電橋電路特點：①高頻交流正弦波供電；②電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；③通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應(yīng)采用自動平衡電橋；④輸出阻抗很高(幾MΩ至幾十MΩ)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。

第21頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三2、二極管雙T形電路電路原理如圖(a)。供電電壓是幅值為±UE、周期為T、占空比為50％的方波。若將二極管理想化，則當(dāng)電源為正半周時，電路等效成典型的一階電路，如圖(b)。其中二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，電容C1被以極其短的時間充電、其影響可不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE。根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流iC2如下：C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2第22頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三同理，負半周時電容C1的平均電流:

在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2<<T/2時, 電流iC2的平均值IC2可以寫成下式：

故在負載RL上產(chǎn)生的電壓為

第23頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三電路特點：①線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；④適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。第24頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三3、差動脈沖調(diào)寬電路又稱差動脈寬(脈沖寬度)調(diào)制電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。右圖為差動脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動脈沖調(diào)寬電路G第25頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖U0第26頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為設(shè)R1＝R2＝R，則

因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。Ur—觸發(fā)器的參考電壓。第27頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為1、2和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對差動式變極距型和變面積型電容式傳感器可得可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。這是十分可貴的性質(zhì)。在此指出：具有這個特性的電容測量電路還有差動變壓器式電容電橋和由二極管T形電路經(jīng)改進得到的二極管環(huán)形檢彼電路等。

另外，差動脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。

第28頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三4、運算放大器式電路其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖將Cx=代入上式得-A～uoCCxu∑運算放大器式電路原理圖負號表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=∞，輸入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。第29頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三三、主要性能、特點和設(shè)計要點（一）

主要性能1、

靜態(tài)靈敏度是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜態(tài)靈敏度kg為

可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時還隨被測量而變化。減小δ可以提高靈敏度。但δ過小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kV／mm）?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于

103kV/mm）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。

第30頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三靈敏度取決于r2/r1，r2與r1越接近，靈敏度越高。雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。另外，變極距型和變面積型電容式傳感器可采用差動結(jié)構(gòu)形式來提高靜態(tài)靈敏度，一般提高一倍。例如，對變面積型差動式線位移電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為

對于圓柱形變面積型電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為可見比相應(yīng)單組式的靈敏度提高一倍。變面積型和變介電常數(shù)型電容式傳感器在忽略邊緣效應(yīng)時，其輸入被測量與輸出電容量呈線性關(guān)系，因而其靜態(tài)靈敏度為常數(shù)第31頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

顯然，輸出電容?C與被測量之間是非線性關(guān)系。只有當(dāng)(?δ/δ<<1時，略去各非線性項后才能得到近似線性關(guān)系為C＝C0(?δ/δ)。由于δ取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個較小的范圍內(nèi)（1cm至零點幾mm），而且?δ最大應(yīng)小于極板間距δ的1/5～1/10。2、非線性對變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時，其電容量的變化：第32頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三可見，差動式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(ωC)，那么被測量?δ就與?XC成線性關(guān)系，不需要滿足?δ<<δ這一要求了。在忽略邊緣效應(yīng)時，變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間電場分布不均勻，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。

采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量?C第33頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三（二）

特點1．溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮，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。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。2．結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強，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，也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。第34頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三3．動態(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10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動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，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。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。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。4．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)。當(dāng)采用非接觸測量時,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測量的影響。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0.001m甚至更小的位移。

第35頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三不足：1．輸出阻抗高，負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，輸出阻抗高達106～108Ω。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來不便。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圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。

第36頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三2．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。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求3、輸出特性非線性變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。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。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。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。

第37頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三（三）

設(shè)計要點電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點是與其正確設(shè)計、選材以及精細的加工工藝分不開的。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。1．保證絕緣材料的絕緣性能減小環(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。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。

第38頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

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。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，對減小邊緣效應(yīng)極為有利。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。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。傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機械強度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(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。例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠高于塑料、有機玻璃等。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。

第39頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

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)。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。這種誤差雖可用后接的電子電路加以補償，但無法完全消除。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。選用50kHz至幾MHz作為電容傳感器的電源頻率，以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進行清洗、烘干后再裝配。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。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時變形。

第40頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三2．消除和減小邊緣效應(yīng)適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。此外，可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3與電極2在同一平面上并將電極2包圍，且與電極2電絕緣但等電位，這就能使電極2的邊緣電力線平直，電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。

帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場1233邊緣電場邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度上起了補償作用。第41頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

（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0.2—0.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，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。一般電容值變化在

10-3—103pF范圍內(nèi)，相對值變化在

10-6—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影響儀器的精度，必須消除和減小它?？刹捎梅椒ǎ?/p>

3．消除和減小寄生電容的影響（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）整體屏蔽法第42頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

（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。圖中可動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動?？蓜訕O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。引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。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。絕緣體屏蔽殼固定極筒可動極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖第43頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

（3）集成化

將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。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。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。

（4）采用“驅(qū)動電纜”(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)，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。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。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長達10m之遠也不影響儀器的性能，如圖。

第44頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動電纜”技術(shù)對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，也能正常工作。

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μF)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，電纜可以長達10m，儀器仍能正常工作。

第45頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三（5）采用運算放大器法

下圖是利用運算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容CP的原理圖。圖中電容傳感器的一個電極經(jīng)電纜芯線接運算放大器的虛地Σ點,電纜的屏蔽層接儀器地,這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1＋A)，因而大大地減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接儀器地，對芯線不起作用。傳感器的另一電極接大地，用來防止外電場的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。選擇足夠大的A值可保證所需的測量精度。-A～uoCCxu∑圖5.3-12利用運算放大器式電路虛地點減小電纜電容原理圖第46頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三（6）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。下圖是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點選擇在兩固定輔助阻抗臂Z3和Z4中間，使電纜芯線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)。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?！涣麟娙蓦姌虻钠帘蜗到y(tǒng)C1C2CP1CP2Z3Z4-A第47頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三

最易滿足上述要求的是變壓器電橋，這時Z3和Z4是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個電感線圈，流過Z3和Z4的電流大小基本相等但方向相反。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。結(jié)果寄生電容Cpl和Cp2對Z3和Z4的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影響交流電橋的平衡。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。這樣進一步降低了外界電磁場的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測量電路前置級，不影響電橋的平衡，因此在電纜線長達10m以上時仍能測出1pF的電容。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。電纜長達10m時，傳感器也能正常工作。

第48頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三5．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。干擾信號足夠大時，儀器無法正常工作。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。防止和減小干擾的措施歸納為：

屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測量電路前置級等等。增加原始電容量，降低容抗。導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠，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。盡可能一點接地，避免多點接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。采用差動式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。

第49頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三四、應(yīng)用壓力測量：差壓傳感器、變面積傳感器、荷重傳感器水分檢測：糧食、油液位測量加速度測量第50頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三1、為什么變極距型電容傳感器的靈敏度和非線性是矛盾的？實際應(yīng)用中怎樣解決這一問題？2、有一變極距型電容傳感器，兩極板的重合面積為8cm2，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對介電常數(shù)為1.0006，試計算該傳感器的位移靈敏度。3、一電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙δ=0.3mm，問：（1）工作時，如果傳感器與工作的間隙變化量Δδ

=±1μm時，電容變化量是多少？（2）如果測量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在Δδ

=±1μm時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？第51頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三主要內(nèi)容6.1電容式傳感器的工作原理6.2變極距型電容式傳感器的非線性6.3電容式傳感器的等效電路6.4電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路6.5電容式傳感器的應(yīng)用第52頁，講稿共77頁，2023年5月2日，星期三電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實現(xiàn)對物理量的測量。廣泛用于位移、振動、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測量。特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高；可實現(xiàn)非接觸式測量；動態(tài)響應(yīng)好；能在高溫、輻射和強振動等惡劣條件下工作；電容量小，功率小，輸出阻抗高，負載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。第53頁，