1、第3章 電容式傳感器1 1、電容式傳感器的工作原理與、電容式傳感器的工作原理與類型類型2 2、電容式傳感器的測、電容式傳感器的測量電路量電路3 3、主要性能、優(yōu)缺點和設(shè)計要點主要性能、優(yōu)缺點和設(shè)計要點5 5、電容式傳感器的應(yīng)用、電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器介紹電容式傳感器介紹 電容器是電子技術(shù)的三大類電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件無源元件( (電阻、電感和電電阻、電感和電容容) )之一，利用電容器的原理，之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量將非電量轉(zhuǎn)換成電容量, ,進而進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，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，稱為電容式傳感器，它

2、實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。 優(yōu)優(yōu) 點：點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、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，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。器的優(yōu)點得以充分發(fā)揮。 應(yīng)應(yīng) 用：用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕壓力、位移、厚度、

3、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。度和成分含量等測量之中。一、一、 工作原理與類型工作原理與類型（一）工作原理（一）工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容電容C C為：為：0rSSCdd Sss極板相對覆蓋面積；極板相對覆蓋面積；dd極板間距離；極板間距離；rr相對介電常數(shù)；相對介電常數(shù)；0 0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，0 0 8.85pF/m8.85pF/m；電容極板間介質(zhì)的介電數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電數(shù)。 、S S和和rr中的某一項或幾項有中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容變化時，就改變

4、了電容C0C0、或或S S的變的變化可以反映線位移或角位移的變化，化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變也可以間接反映壓力、加速度等的變化；化；rr的變化則可反映液面高度、材的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。料厚度等的變化。一、工作原理與類型一、工作原理與類型（二）類（二）類 型型 三種基本類型三種基本類型：變極距變極距( (變間隙變間隙)(d)(d)型；變面積型型；變面積型( (S S) )型；變介型；變介電常電常(r)r)型型一、工作原理與類型一、工作原理與類型1 1、變極距型電容傳感器、變極距型電容傳感器 d d2 2變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器

5、1 1 圖中極板圖中極板1 1固定不動，極板固定不動，極板2 2為可動電極為可動電極( (動片動片) )，當(dāng)動片隨，當(dāng)動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化變化 ，其電容變化量，其電容變化量C C為為C CC C0 0dC-d C-d 特性曲線特性曲線一、工作原理與類型一、工作原理與類型 當(dāng)傳感器的當(dāng)傳感器的r和和S為常數(shù)，初始極距為為常數(shù)，初始極距為d0時，可知其初始電容時，可知其初始電容量量C0為：為： 000dSCr 若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值d0縮小了縮小了d，電容量增大了，電容量

6、增大了C，則，則有有 200000000111ddddCddCddSCCCr一、工作原理與類型一、工作原理與類型在上式中，若在上式中，若d/d01時，時，1-(d/d0)21，則式則式000ddCCC 此時此時C與與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在有在d/d0很小時，才有近似的線性關(guān)系。很小時，才有近似的線性關(guān)系。這種傳感器的靈敏度為：這種傳感器的靈敏度為：20000dsdCdCKr 此式表明：靈敏度此式表明：靈敏度K是極板間隙是極板間隙d0的函數(shù)，的函數(shù)，d0越小，靈敏度越高。但越小，靈敏度越高。但非線性誤差將增大，且容易引起電容非線

7、性誤差將增大，且容易引起電容器擊穿或短路。為此常采用差動式結(jié)器擊穿或短路。為此常采用差動式結(jié)構(gòu)，極板間可采用高介電常數(shù)材料。構(gòu)，極板間可采用高介電常數(shù)材料。一、工作原理與類型一、工作原理與類型非線性誤差為：非線性誤差為：30200001ddddddddCC1000020 dddddd 此式表明：靈敏此式表明：靈敏度度K是極板間隙是極板間隙d0的的函數(shù)，函數(shù)，d0越小，靈敏越小，靈敏度越高。但非線性誤度越高。但非線性誤差將增大，且容易引差將增大，且容易引起電容器擊穿或短路。起電容器擊穿或短路。為此常采用差動式結(jié)為此常采用差動式結(jié)構(gòu)，極板間可采用高構(gòu)，極板間可采用高介電常數(shù)材料。介電常數(shù)材料。一、

8、工作原理與類型一、工作原理與類型000ddSCggg云母的相對介電常數(shù)云母的相對介電常數(shù)g=7； 0空氣的介電常數(shù)空氣的介電常數(shù)0=1； d0空氣隙厚度；空氣隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 一、工作原理與類型一、工作原理與類型 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7 7倍，其擊穿電壓不小于倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm1000 kV/mm，而空氣僅為，而空氣僅為3 kV/mm3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時，式（始距離可大大減小。同時，式（5-55-5）中的）中的d dg g/ /0 0g g項是

9、恒定值，項是恒定值， 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF20100pF之之間，間， 極板間距離在極板間距離在2520025200m m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的的1/101/10，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。 一、工作原理與類型一、工作原理與類型2、變面積型電容傳感器、變面積型電容傳感器 下圖是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。被測量通過動極下圖是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。被測量通過動極

10、板移動引起兩極板有效覆蓋面積板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移x x時，則電容變化量為時，則電容變化量為變面積型電容傳感器原理圖變面積型電容傳感器原理圖dbxaCCCr)(00 式中式中C0=0r ba/d 為初始電容。電為初始電容。電容相對變化量為容相對變化量為 axCC0 很明顯，這種形式的傳感器其電容量很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移與水平位移x呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。一、工作原理與類型一、工作原理與類型 下下圖是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動極板有一個角位

11、圖是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動極板有一個角位移移時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)兩極板間的電容量。當(dāng)=0=0時，則時，則 0000dSCrr r介質(zhì)相對介電常數(shù)；介質(zhì)相對介電常數(shù)； d d0 0兩極板間距離；兩極板間距離； S S0 0兩極板間初始覆蓋面積。兩極板間初始覆蓋面積。 000001CCdSCr可以看出，傳感器的電容量可以看出，傳感器的電容量C與角位移與角位移呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系。 3 3、變介電常數(shù)型電容傳感器、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)的變介電常數(shù)型

12、電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位厚度、液位，還可根，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、濕溫度、濕度度等。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測厚度的關(guān)系為：與被測厚度的關(guān)系為： x厚度傳感器厚度傳感器C1C2C3C/ )(0 xxabC一、工作原理與類型一、工作原理與類型n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

13、的關(guān)系為量與被位移的關(guān)系為 C1C2C3CC400/)(/)(xxxxlabblC 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固定極板長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度 ； 兩固定極板間的距離；兩固定極板間的距離；x x、0 0被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù) 。 l平板形平板形lx一、工作原理與類型一、工作原理與類型C1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可見，傳感器電容量可見，傳感器電容量C與被測液位高度與被測液位高度hx成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 液位傳感器液位傳感器h2r12r2hx)/

14、ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK 若忽略邊若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下液位傳感器如下圖，傳感器的電圖，傳感器的電容量與被液位的容量與被液位的關(guān)系為關(guān)系為一、工作原理與類型一、工作原理與類型L 包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感。包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感。RS由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成。由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成。RP是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)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。損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗。 供電電源頻率為諧振頻率的

15、供電電源頻率為諧振頻率的1/31/2（一）電容式傳感器等效電路（一）電容式傳感器等效電路LCCCCCee21/（二）測量電路（二）測量電路1 1、電橋電路、電橋電路 將電容式傳感器接入交流電橋?qū)㈦娙菔絺鞲衅鹘尤虢涣麟姌虻囊粋€臂的一個臂( (另一個臂為固定電容另一個臂為固定電容) )或或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻電阻或或電容電容或或電感電感，也可是，也可是變壓器的兩變壓器的兩個二次線圈個二次線圈。其中另兩個臂是。其中另兩個臂是緊耦緊耦合電感臂合電感臂的電橋具有較高的靈敏度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、和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋

16、的屏蔽和接地，適大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而合于高頻電源下工作。而變壓器式變壓器式電橋電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。因此目前較多采用。2、二極管雙、二極管雙T形電路形電路（二）測量電路（二）測量電路C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2iC1iC2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+iC1iC2iC1iC2 電路原理如圖電路原理如圖(a)(a)。供電電壓是幅值為。供電電壓是幅值為U UE E、周期為、周期為T T、占空比為、占空比為5050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的方

17、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，如圖電路，如圖(b)(b)。其中二極管。其中二極管VDVD1 1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VDVD2 2截止，電容截止，電容C C1 1被以極其短的時間充被以極其短的時間充電、其影響可不予考慮，電容電、其影響可不予考慮，電容C C2 2的電壓初始值為的電壓初始值為U UE E。根據(jù)一階電路時域分析。根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容的三要素法，可直接得到電容C C2 2的電流的電流i iC2C2如下：如下： （二）測量電路（二）測量電路22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURR

18、RRTdtiTdtiTIELLcTcC 在在R R（RRRRL L）/ /（R RR RL L）C C2 2T/2T/2時時, ,電流電流i iC2C2的平均值的平均值I IC2C2可以寫成可以寫成下式：下式： 故在負(fù)載故在負(fù)載R RL L上產(chǎn)生的電壓為：上產(chǎn)生的電壓為： 212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL（二）測量電路（二）測量電路同理，負(fù)半周時電容同理，負(fù)半周時電容C C1 1的平均電流的平均電流: : 1121CURRRRTIELLC電路特點：電路特點： 線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小

19、了分布電容的影響；減小了分布電容的影響； 電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定； 輸出阻抗為輸出阻抗為R R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；阻的缺點； 適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。 （二）測量電路（二）測量電路（二）測量電路（二）測量電路3 3、差動脈沖調(diào)寬電路、差動脈沖調(diào)寬電路又稱又稱差動脈寬差動脈寬( (脈沖寬度脈沖寬度) )調(diào)制電路調(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利用對傳感器電

20、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。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。R2雙穩(wěn)雙穩(wěn)態(tài)觸態(tài)觸發(fā)器發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動脈沖調(diào)寬電路差動脈沖調(diào)寬電路G 左圖為差動脈沖調(diào)左圖為差動脈沖調(diào)寬電路原理圖。寬電路原理圖。 圖中圖中C C1 1、C C2 2為差動為差動式傳感器的兩個電容，式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值值與傳感器電容初始值相等；相等；A A1 1、A A2 2是兩個比是兩個比較器

21、，較器，U Ur r為其參考電壓。為其參考電壓。（二）測量電路（二）測量電路tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖U0（二）測量電路（二）測量電路U UABAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U U0 0為：為： 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBArxUUUCRT11111lnU UA A、U UB BAA點和點和B B點的矩形脈沖的直流分量；點的矩形脈沖的直流

22、分量；T T1 1、T T2 2 分別為分別為CxCx1 1和和CxCx2 2的充電時間；的充電時間； U U1 1觸發(fā)器輸出的高電位。觸發(fā)器輸出的高電位。Cx1Cx1、Cx2Cx2的充電時間的充電時間T1T1、T2T2為：為：rxUUUCRT11222ln（UrUr觸發(fā)器的參考電壓）。觸發(fā)器的參考電壓）。（二）測量電路（二）測量電路設(shè)設(shè)R R1 1R R2 2R R，則有，則有 121210UCCCCUxxxx因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。 設(shè)電容設(shè)電容Cx1Cx1和和Cx2Cx2的極間距離和面積分別為的極間距離和面積分別為d1d

23、1、d2d2和和S1S1、S2S2，將平行板，將平行板電容公式代入上式，對電容公式代入上式，對差動式變極距型差動式變極距型和和變面積型變面積型電容式傳感器可得電容式傳感器可得112120121120USSSSUUddddU； 可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容任何差動式電容式傳感器式傳感器，并具有理論上的，并具有理論上的線性特性線性特性。這是十分可貴。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的性質(zhì)。在此指出：具有這個特性的電容測量電路還有有差動變壓器式電容電橋差動變壓器式電容電橋和由和由二極管二極管T T形電路經(jīng)改進得形電路經(jīng)改進得到的二極

24、管環(huán)形檢彼電路到的二極管環(huán)形檢彼電路等。等。 另外，差動脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓另外，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。也不高。（二）測量電路（二）測量電路（二）測量電路（二）測量電路4 4、 運算放大器式電路運算放大器式電路 其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖其最大特點是能夠克

25、服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖-A-Au uo oC CC Cx xu u運算放大器式電路原理圖運算放大器式電路原理圖uCCuCjCjuxx1)(10SuCu0將將CxCx = = 代入上式得代入上式得/)( S 負(fù)號表明負(fù)號表明輸出與電源電壓反相輸出與電源電壓反相。顯然。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，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)放大倍器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)數(shù)A=A=，輸入阻抗，輸入阻抗Z Zi i=，因此仍然存在一，因此仍然存在一定的非線性誤差，但

26、一般定的非線性誤差，但一般A A和和Z Zi i足夠大，所足夠大，所以這種誤差很小。以這種誤差很小。 三、三、 主要性能、特點和設(shè)計要點主要性能、特點和設(shè)計要點（一）（一） 主要性能主要性能（二）（二） 特點特點（三）（三） 設(shè)計要點設(shè)計要點1 1、 靜態(tài)靈敏度靜態(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)靈敏度比。對于變極距型其靜態(tài)靈敏度k kg g為為 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d0可以提高

27、靈敏度。但可以提高靈敏度。但d d0 0過小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為過小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kV3kVmmmm）?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于）。可在極間加一層云母片（其擊穿電壓大于 10103 3kV/mmkV/mm）或塑料膜來改）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。善電容器耐壓性能。 dddCdCKg/1100 4030200001dddddddddCKg（一）主要性能（一）主要性能 靈敏度取決于靈敏度取決于r2/r1，r2與與r1越接近，靈敏度越高。雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋越接近，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

28、感器的線性。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，一般態(tài)靈敏度，一般提高提高一倍一倍。例如，對變面積型。例如，對變面積型差動式差動式線位移電容式傳感器，線位移電容式傳感器，其靜態(tài)靈敏度為：其靜態(tài)靈敏度為： 120/ln2rrlClCkg對于圓柱形變面積型電容式傳感器，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：121212/ln4/ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg 可見比相應(yīng)單組式的靈敏度提高一倍。變面

29、積型和變介電常數(shù)型電容式可見比相應(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傳感器在忽略邊緣效應(yīng)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)。靜態(tài)靈敏度為常數(shù)。（一）主要性能（一）主要性能 顯然，輸出電容顯然，輸出電容C C與被測量之間是非線性關(guān)系。與被測量之間是非線性關(guān)系。 只有當(dāng)只有當(dāng)( (/11）時，）時，略去各非線性項后才能得到近似線性關(guān)系為略去各非線性項后才能得到近似線性關(guān)系為C CC C0 0( (/)/)。由于。由于取值不能取值不能大，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

30、個較小的范大，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)（圍內(nèi)（1cm1cm至零點幾至零點幾mmmm），而且），而且最大應(yīng)小于極板間距最大應(yīng)小于極板間距的的1/51/51/101/10。/1100CCC2 2、非線性、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：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：3201CC（一）主要性能（一）主要性能 可見，差動式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍?？梢?，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如果電容式傳感器輸出量采用容抗容抗X XC C=1/(C)

31、 =1/(C) ，那么被測量，那么被測量就與就與X XC C成線性關(guān)系，不需要滿足成線性關(guān)系，不需要滿足 這一要求了。這一要求了。 在忽略邊緣效應(yīng)時，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）變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感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電場分布不均不均勻，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。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采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量C C4201

32、2CC（一）主要性能（一）主要性能1 1溫度穩(wěn)定性好溫度穩(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，其他因素選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素( (因本身發(fā)熱極小因本身發(fā)熱極小) ) 影響甚微。而電影響甚微。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

33、。等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。2 2結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強結(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，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，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，也能對也能對帶磁帶磁工件進行測量。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。特殊

34、要求的測量。（二）優(yōu)點、缺點（二）優(yōu)點、缺點優(yōu)優(yōu) 點：點：3 3動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約幾個1010-5-5N N），需要的），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，能在幾其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHzMHz的頻率下工作，特別適合動的頻率下工作，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。態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，

35、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。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 4可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)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電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時, ,電容式傳感器具有平均效應(yīng)電容式傳感器具有平均效應(yīng), ,可以減小工件表面粗可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。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，因此電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶

36、電極板間的靜電引力極小，因此所需所需輸入能量極小輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、，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0.001m0.001m甚至更小的位移。甚至更小的位移。 （二）特（二）特 點點缺缺 點：點：1 1輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)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pFpF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范

37、圍內(nèi)的交流電源時，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，輸出阻抗高達輸出阻抗高達10106 610108 8。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)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（幾十十MM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

38、別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣靈敏度降低），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(yuǎn)比性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)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。低頻時復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。 （二）特（二）特 點點2 2寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容電纜電容(l(l2m2m導(dǎo)線可達導(dǎo)線可達800pF)800pF)、測量電路的測量電路的雜散電容雜散電容以及以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容傳

39、感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等等“寄生電寄生電容容”卻較大，卻較大，降低了傳感器的靈敏度；降低了傳感器的靈敏度；這些電容這些電容( (如電纜電容如電纜電容) )常常是常常是隨機變化的，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、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、接法有要求接法有要求3 3、輸出特性非線性、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)來改變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采

40、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。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

41、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。感器。 （二）特（二）特 點點 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(xì)的加工工藝分不開的。在設(shè)計與其正確設(shè)計、選材以及精細(xì)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)，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。的頻率響應(yīng)等。1 1

42、保證絕緣材料的絕緣性能保證絕緣材料的絕緣性能 減小減小環(huán)境溫度、濕度環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差等變化所產(chǎn)生的誤差, ,以保證絕緣材以保證絕緣材料的絕緣性能料的絕緣性能, ,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從而改變傳感器的電容量量, ,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

43、料具有高的絕緣性能。等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。 （三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點 電容式傳感器的電容式傳感器的金屬電極的材料金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合以選用溫度系數(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。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)傳感器內(nèi)電極表面電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、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，則可代防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性

44、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。少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。 傳感器內(nèi)，傳感器內(nèi)，電極的支架電極的支架除要有一定的機械強度外還要有穩(wěn)定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、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，但性能人

45、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(yuǎn)高于塑料、有機玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯遠(yuǎn)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。具有良好的絕緣性能，可以考慮選用。 （三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點 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)近似為零的電電介質(zhì)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（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

46、介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接時，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。的電子電路加以補償，但無法完全消除。 在可能的情況下在可能的情況下, ,傳感器內(nèi)盡量采用傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱差動對稱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), ,這樣可以這樣可以通過某些類型的測量電路通過某些類型的測量電路( (如電橋如電橋) )來減小溫度等誤差。來減小溫度等誤差。 選用選用50kHz50kHz至幾至幾MHzMHz作為電容傳感器的作為電容傳感器的電源頻率電源頻率，以降低對傳，以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。感器絕緣部分的絕緣要求。 傳感器內(nèi)所有的傳感器內(nèi)所有的零件零件

47、應(yīng)先進行清洗、烘干后再裝配。傳感器應(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。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。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時變形。 （三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點2 2消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng) 適當(dāng)適當(dāng)減小極間距減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效，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

48、邊緣電場的影響。此外，可在結(jié)構(gòu)上與極間距相比很小，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)增設(shè)等位環(huán)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3 3與電極與電極2 2在同一平面上并將電極在同一平面上并將電極2 2包圍，且與電極包圍，且與電極2 2電絕緣但等電位，這就能使電極電絕緣但等電位，這就能使電極2 2的邊緣電力線平直，的邊緣電力線平直，電極電極1 1和和2 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)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 3外周外周不影響傳感器兩極板間電場。不影響傳感器兩極板間電場。 帶有等位環(huán)的平板電容帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原

49、理圖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場均勻電場1233邊緣電場邊緣電場 邊緣效應(yīng)引起的非邊緣效應(yīng)引起的非線性與變極距型電容式線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度恰好相反，在一定程度上起了補償作用。上起了補償作用。（三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點（1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值 采用采用減小極片或極筒間的間距減小極片或極筒間的間距( (平板式間距為平板式間距為0.20.5mm0.20.5mm，圓筒式，圓筒式間距為間距為0.15mm)0.15mm)，增加工作面積增加工作面積或或工作長度工作長度來增加原始電容值，但受加來增加原始電容值，但受加工及裝配

50、工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在變化在 1010-3-310103 3 pF pF范圍內(nèi)，相對值變化在范圍內(nèi)，相對值變化在 10-6110-61范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 3 3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響（1 1）增加傳感器原始電容值）增加傳感器原始電容值（2 2）注意傳感器的接地和屏蔽；（）注意傳感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化（4 4）采用）采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù)（5 5）采用運算放大器法；（）采用運算放大器法；（6 6）整體

51、屏蔽法）整體屏蔽法 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。可采用方法：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海ㄈ┰O(shè)計要點（三）設(shè)計要點（2 2）注意傳感器的接地和屏蔽）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。可動極筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同固定在一起隨被測量移動。可動極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

52、筒與屏蔽殼之間的電容值將保為地，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，持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號。從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號。 絕緣體絕緣體屏蔽殼屏蔽殼固定極筒固定極筒可動極筒可動極筒連桿連桿導(dǎo)桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖（三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點 引線電纜也必須引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電纜線，用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前縮短傳感器至電路前置級的距離。置級的距離。（3 3）集成化）集成化 將傳感器與測

53、量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感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器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變固定不變，使儀器工，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。的場合使用。 （4 4）采用）采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”( (雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸) )技術(shù)技術(shù) 當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因( (如環(huán)境溫度較高如環(huán)境溫度較高) )，測量電路只能與傳感

54、器分開時，可采用測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)。傳感器與技術(shù)。傳感器與測量電路前置級間的引線為測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線( (即電纜芯線即電纜芯線) )通過通過1:11:1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層放大器成為等電位，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，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，因此稱為因此稱為“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長達。采用這種技術(shù)可使電纜線長達10m10m之遠(yuǎn)也不影之遠(yuǎn)也不影響

55、儀器的性能，如圖。響儀器的性能，如圖。 （三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點 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蔽層之間的電容是1:11:1放大器的負(fù)載。放大器的負(fù)載。1:11:1放大器是一個輸入阻抗要求放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(1(準(zhǔn)確度要求達準(zhǔn)確度要求達1/100001/10000) )的同相的同相( (要要求相移為零求相移為零) )放大器。因此放大器。因此“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)對技術(shù)對1:11:1放大器要求很高，放大器要求很高，電路復(fù)雜，但

56、能保證電容式傳感器的電容值小于電路復(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。時，也能正常工作。 1 1：1 1測量測量電路電路前置級前置級外屏蔽層外屏蔽層內(nèi)屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線芯線傳感器傳感器“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)原理圖技術(shù)原理圖 當(dāng)電容式傳感器的初始當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大電容值很大( (幾百幾百 F F) )時，只時，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c仍可采要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達纜可以長達10m10m，儀器仍能正，儀器仍能正常常工作。工作。 （三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點（5 5）采用運算放大器法）采用運算放大器法 下圖

57、是利用運算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容下圖是利用運算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容C CP P的原理圖。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點點, ,電纜電纜的屏蔽層接儀器地的屏蔽層接儀器地, ,這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容C Cp p/(1/(1A)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，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。對芯線不起作用。 傳感器的另一電極接傳感器的另一電極接大地，用來防止外電場

58、的大地，用來防止外電場的干擾。若采用雙屏蔽層電干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實際上，干擾影響就更小。實際上，這是一種不完全的電纜這是一種不完全的電纜“驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡，結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)單。開環(huán)放大倍數(shù)A A越大，越大，精度越高。選擇足夠大的精度越高。選擇足夠大的A A值可保證所需的測量精值可保證所需的測量精度。度。- -AuoCCxu圖圖5.3-12 利用運算放大器式電路虛地點減小利用運算放大器式電路虛地點減小電纜電容原理圖電纜電容原理圖（三）設(shè)計要點（三）設(shè)計要點（6 6）整體屏蔽法）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