杭電傳感器原理 期末復習

測量概述測量誤差（傳感器、環(huán)境、測量方法等導致）按誤差表示方法分：

絕對誤差、相對誤差（注意引用誤差定義，定義了儀器的等級）、基本誤差、附加誤差、容許誤差按誤差性質分：

隨機誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差傳感器理論基礎1.傳感器定義2.傳感器分類3.傳感器的應用4.傳感器一般特性5.傳感器標定34567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424647、4849半導體應變和金屬應變對比特點和應用中存在的問題1.2第5章電容式傳感器工作原理、結構和特性5.15.2測量電路5.3電容式傳感器及其應用

5.4第5章電容式傳感器圖5.1為這種傳感器的原理圖。當傳感器的εr和A為常數，初始極距為δ0，由式(5-1)可知其初始電容量C0為(5-2)5.1.1變極距型電容傳感器

圖5.1變極距型電容傳感器原理圖當動極端板因被測量變化而向上移動使δ0減小Δδ0時，電容量增大ΔC則有

(5-3)

可見，傳感器輸出特性C＝f(δ)是非線性的，如圖5-2所示。電容相對變化量為

(5-4)如果滿足條件(Δδ0/δ0)<<1，式(4-4)可按級數展開成

(5-5)第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器略去高次(非線性)項，可得近似的線性關系和靈敏度S分別為

和

如果考慮式(5-5)中的線性項及二次項，則

(5-6)(5-7)(5-8)式(5-6)的特性如圖5.3中的直線1，而式(5-8)的特性如曲線2。因此，以式5-6作為傳感器的特性使用時，其相對非線性誤差ef為第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器由上討論可知：(1)變極距型電容傳感器只有在|Δδ0/δ0|很小(小測量范圍)時，才有近似的線性輸出；(2)靈敏度S與初始極距δ0的平方成反比，故可用減少δ0的辦法來提高靈敏度。例如在電容式壓力傳感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之間。由于變極距型的分辨力極高，可測小至0.01μm的線位移，故在微位移檢測中應用最廣。(5-9)第5章電容式傳感器由式(5-9)可見,δ0的減小會導致非線性誤差增大；δ0過小還可能引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數的材料(云母、塑料膜等)作介質，如圖5.4所示。設兩種介質的相對介電質常數為εr1(空氣：εr1＝1)、εr2，相應的介質厚度為δ1、δ2，則有第5章電容式傳感器(5-10)圖5.5所示為差動結構，動極板置于兩定極板之間。初始位置時，δ1＝δ2＝δ0，兩邊初始電容相等。當動極板向上有位移Δδ時，兩邊極距為δ1＝δ0-Δδ，δ2＝δ0+Δδ；

兩組電容一增一減,由式(5-4)和式(5-5)可得電容總的相對變化量為(5-11)第5章電容式傳感器略去高次項，可得近似的線性關系(5-12)相對非線性誤差ef′為(5-13)上式與式(5-6)及式(5-9)相比可知，差動式比單極式靈敏度提高一倍，且非線性誤差大為減小。由于結構上的對稱性，它還能有效地補償溫度變化所造成的誤差。2.缺點Ⅰ.輸出阻抗高，負載能力差電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，其值只有幾個皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達108～106Ω。因此傳感器的負載能力很差，易受外界干擾影響而產生不穩(wěn)定現象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來極大的不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍的環(huán)境如濕度、清潔度等。第5章電容式傳感器

若采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠比低頻的復雜，且寄生電容影響大，不易保證工作十分穩(wěn)定。Ⅱ.寄生電容影響大電容式傳感器的初始電容量小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容（1～2m導線可達800pF）、電子線路的雜散電容以及傳感器內極板與其周圍導體構成的電容等所謂“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。因此對電纜的選擇、安裝、接法都有要求。第5章電容式傳感器變化，從而引起傳感器有效靈敏度的改變

在這種情況下，每當改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標定。2.邊緣效應以上分析各種電容式傳感器時還忽略了邊緣效應的影響。實際上當極板厚度h與極距δ之比相對較大時，邊緣效應的影響就不能忽略。這時，對極板半徑為r的變極距型電容傳感器，其電容值應按下式計算：(5-21)(5-22)第5章電容式傳感器(5-23)

邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。為了消除邊緣效應的影響，可以采用帶有保護環(huán)的結構，如圖5.10所示。保護環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器4.寄生電容電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，其電容量都很小(幾pF到幾十pF)，屬于小功率、高阻抗器件，因此極易受外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(見圖5.9)，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關鍵。⑴．驅動電纜法它實際上是一種等電位屏蔽法。如圖5.11所示：在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為1的驅動放大器，(接線如圖示)。第5章電容式傳感器

這種接線法使內屏蔽與芯線等電位，消除了芯線對內屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響；而內、外層屏蔽之間的電容變成了驅動放大器的負載。因此驅動放大器是一個輸入阻抗很高、具有容性負載、放大倍數為1的同相放大器。該方法的難處是，要在很寬的頻帶上嚴格實現放大倍數等于1，且輸出與輸入的相移為零。為此有人提出，用運算放大器驅動法取代上述方法。圖5.11驅動電纜法原理圖⑵.整體屏蔽法以差動電容傳感器Cx1、Cx2配用電橋測量電路為例，如圖5.12所示；U為電源電壓，K為不平衡電橋的指示放大器。所謂整體屏蔽是將整個電橋(包括電源、電纜等)統(tǒng)一屏蔽起來；其關鍵在于正確選取接地點。本例中接地點選在兩平衡電阻R3、R4橋臂中間，與整體屏蔽共地。圖5.12整體屏蔽法原理圖第5章電容式傳感器

這樣傳感器公用極板與屏蔽之間的寄生電容C1同測量放大器的輸入阻抗相并聯，從而可將C1歸算到放大器的輸入電容中去。由于測量放大器的輸入阻抗應具有極大的值，C1的并聯也是不希望的,但它只是影響靈敏度而已。另兩個寄生電容C3及C4是并在橋臂R3及R4上，這會影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但并不妨礙電橋的正確工作。因此寄生參數對傳感器電容的影響基本上被消除。整體

屏蔽法是一種較好的方法；但將使總體結構復雜化。⑶.采用組合式與集成技術

一種方法是將測量電路的前置級或全部裝在緊靠傳感器處，縮短電纜；另一種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，將全部測量電路組合在傳感器殼體內；第5章電容式傳感器更進一步就是利用集成工藝，將傳感器與調理等電路集成于同一芯片，構成集成電容式傳感器。5.溫度影響環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數關系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個方面：⑴.溫度對結構尺寸的影響

電容傳感器由于極間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數不匹配的情況下，溫度變化將導致極間隙較大的相對變化，從而產生很大的溫度誤差。第5章電容式傳感器

隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成技術的發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷地得到克服。電容式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)展前途地傳感器。5.2.2應用中存在的問題1.等效電路

上節(jié)對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應影響時，其等效電路如圖5.9所示。第5章電容式傳感器第5章電容式傳感器

圖中C為傳感器電容，Rp為低頻損耗并聯電阻，它包含極板間漏電和介質損耗；Rs為高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯損耗電組，它包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻；L為電容器及引線電感；Cp為寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實用性能的關鍵之一，下面專門討論?？梢?，在實際應用中，特別在高頻激勵時，尤需考慮L的存在，會使傳感器有效電容圖5.9電容傳感器的等效電路

壓電方程及壓電常數矩陣1.2第6章壓電式傳感器壓電效應及材料6.16.2等效電路及測量電路6.3壓電式傳感器及其影響因數

6.4第6章壓電式傳感器6.1壓電效應第6章壓電式傳感器6.1壓電效應第6章壓電式傳感器6.1.1石英晶體壓電機理第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器第6章壓電式傳感器