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電容傳感器常見問題分析

電容傳感器是將被測的非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器,它不僅能測量荷重、位移、振動、角度、加速度等機械量,還能測量液面、料面、成分含量等熱工參量。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、動態(tài)響應較快、幾乎沒有零漂、結(jié)構(gòu)簡單和適應性強等優(yōu)點。因此,電容傳感器在自動檢測技術(shù)中占有很重要的地位,并得到廣泛的應用。但它在使用過程中也存在一些問題:

二、靈敏度的問題

由兩平行板組成的一個電容器,若忽略其邊緣效應,其電容量可用下式表示:

式中,S為極板相互遮蓋面積,單位為m2;d為兩平行板間的距離,單位為m;ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);εr極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù);ε0真空的介電常數(shù)。從上式可以看出,當d小時可使電容量增大,而使靈敏度增加,但d過小容易引起電容器擊穿,一般我們可以采取在極板間放置云母來改善,此時電容C為兩電容串聯(lián),可寫成:

式中,ε1云母片的介電常數(shù);ε2空氣的介電常數(shù);d0為氣隙寬度;d為兩極板間的距離。云母的介電常數(shù)為空氣的7倍,云母的擊穿電壓不少于103kv/mm,空氣的擊穿電壓僅為3kv/mm。厚度僅為0.01mm的云母片,它的擊穿電壓也不小于10kv/mm,因此有了云母片,極板之間的距離可大大減小,還能使電容傳感器輸出特性的線性得到改善。提高靈敏度除了采用加云母片的方法外,還可以采取以下措施:

1.提高電源頻率。

2.減小極板厚度可削弱邊緣效應。

三、電容傳感器中一些量的變化范圍

在變極間距離的電容傳感器中,由于減小極間距離可以提高靈敏度,多用來測量微米級的位移,一般極板間距離不超過1mm,最大位移量應限制在間距的1/10范圍內(nèi);在變極板工作面積的傳感器中,可以測量厘米級的位移。在電容傳感器中,正確選擇電容的大小是很重要的。合理的設(shè)計既可以使傳感器滿足測量范圍的要求,又可以提高靈敏度,減小非線性誤差。一般其電容的變化在103PF~104PF范圍內(nèi),相對值ΔC/C的變化則在10-6~1范圍內(nèi)。電容元件輸出阻抗一般在108Ω~106Ω,該數(shù)值還與所采用的交流電源頻率有關(guān)。為了減小絕緣電阻的影響和提高靈敏度,電源頻率一般采用在50kHz以上,但是采用高頻電源使信號放大、傳輸?shù)葐栴}比低頻時復雜的多。

四、分布電容的影響問題

電容傳感器一個很關(guān)鍵的問題是分布電容電容量與傳感器電容量相比不僅不能忽略,而且影響還極其嚴重,其后果是造成傳輸效率降低、靈敏度下降、測量誤差增加及穩(wěn)定性變差。近幾年來,對此問題有了新的解決途徑。其中“整體屏蔽法”就是一例,以差動電容傳感器為例,說明整體屏蔽法,在下圖中,CX1、CX2為差動電容,U為電源,A為放大器,整體屏蔽法是把整個電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來,設(shè)計的關(guān)鍵點在于接地點的合理設(shè)置。采用把接地點放在兩個平衡電阻R1、R2之間與整體屏蔽共地,這樣,傳感器公用極板與屏蔽之間的分布電容C1與放大器的輸入阻抗并聯(lián),從而可把C1視作放大器的輸入電容。由于放大器的輸入阻抗有極大值,C1的并聯(lián)也不希望存在,但它只影響靈敏度而已,另外兩個分布電容C3、C4并聯(lián)在橋臂R1、R2上,會影響電橋的初始平衡和整體靈敏度,并不影響電橋的正常工作。因此,分布參數(shù)對傳感器電容的影響基本消除,整體屏蔽法是解決電容傳感器分布電容問題的很好方法,缺點是使結(jié)構(gòu)復雜。

圖1消除分布電容的工作電路圖

五、非線性問題

變間隙式電容傳感器相對輸出表達式為:

由上式可知變間隙式電容傳感器相對輸出與輸入為非線性關(guān)系。由于Δd/d<<1,工程上常采用以下兩種近似處理方法的辦法:

1.近似線性處理:即取上式右邊第一項近似,有:

2,近似非線性處理:即取相對輸出表達式的前兩項近似,有:

上述兩種近似產(chǎn)生的相對非線性誤差為:

以上分析說明,相對非線性誤差r0與間隙d0也成反比例關(guān)系,因此提高傳感器的靈敏度和減小非線性誤差是相矛盾的。在實際應用中,為解決這一矛盾,大都采用差動式電容傳感器。
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