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第4章 本章要点 2．消除和减小边缘效应 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。此外，可在结构上增设等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2在同一平面上并将电极2包围，且与电极2电绝缘但等电位，这就能使电极2的边缘电力线平直，电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等 位环3外周不影响传感器两 极板间电场。 带有等位环的平板电容 传感器结构原理图 均匀电场 1 2 3 3 边缘电场 边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。 （1）增加传感器原始电容值　　 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2—0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3—103 pF范围内，相对值变化在 10-6—1范围内。 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法： 3．消除和减小寄生电容的影响 （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”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法 （2）注意传感器的接地和屏蔽　　 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变， 从而消除了由此产生的虚假信号。 引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。 绝缘体 屏蔽壳 固定极筒 可动极筒 连杆 导杆 接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图 （3）集成化　　 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术　　 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能，如图。 * 传感器与检测技术 白城师范学院 机电系 主讲：王 刚 Sensor Principle Detecting Technology 第四章? 电容式传感器 优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。 一、 工作原理与类型 （一）工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 S—极板相对覆盖面积； δ—极板间距离；εr—相对介电常数； ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m； ε —电容极板间介质的介电常数。 δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0、δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 S δ ε （二）? 类型 三种基本类型： 变极距(变间隙)(δ)型 变面积型(S)型 变介电常数(εr)型 表5-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。 位移：线位移和角位移两种。 极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。 其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。 1、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动