电容传感器的误差分析
- 格式：docx
- 大小：145.08 KB
- 文档页数：6
下载文档原格式
合集下载
《传感器技术》作业(2)
《传感器技术》作业（2）一、填空题1、沿应变片轴向的应变εx必然引起应变片电阻的相对变化，而垂直于应变片轴向的横应变εy也会引起其电阻的相对变化，这种现象成为横向效应。
这种现象的产生和影响与应变片结构有关。
为了减小由此产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。
2、为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：单丝自补偿法、双丝自补偿法、桥路补偿法。
3、应变片的线性（灵敏度系数为常数）特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。
当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。
在恒温条件下，使非线性达到10%时的真实应变值，称为应变极限εlim。
它是衡量应变片测量范围和过载能力的指标。
4、应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
5、应变片的选择包括：类型的选择、材料的选择、阻值的选择、尺寸的选择。
6、应变式测力传感器弹性元件即为力敏元件，它将被测力的变化转换成应变量的变化。
弹性元件的形式通常有柱式、悬臂梁式、环式等。
7、利用半导体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型底层上，形成一层极薄的电导P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。
若在圆形硅膜上扩散出4个P型电阻构成惠斯通电桥的4个桥臂，这样的敏感器件称为固态压阻器件。
8、压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移。
因此，必须采用温度补偿措施。
9、压阻器件的零点温度漂移是由于4个扩散电阻值及它们的温度系数不一致而造成的，一般用串、并联电阻法来补偿。
10、压阻器件的灵敏度温度漂移是由压阻系数随温度变化而引起的。
补偿灵敏度温漂，可以采用在电源回路中串联二极管的方法。
11、利用导电材料的电阻率随本身温度而变化的温度电阻效应制成的传感器，称为热电阻式传感器。
12、电位计传感器也称变阻器式传感器，其工作原理是通过改变电位计触头位置，实现将位移变化转换为电阻的变化。
13、在应用中电容式传感器有三种基本类型，即变极距型或称变间隙(δ)型、变面积(S)型和变介电常数(ε)型。
教案项目电容式传感器
教案项目：电容式传感器一、教学目标1. 了解电容式传感器的原理和应用。
2. 掌握电容式传感器的接线方式和基本操作。
3. 能够分析电容式传感器的测量数据并进行误差处理。
二、教学内容1. 电容式传感器概述定义：电容式传感器是一种利用电容变化来检测物体或物质的传感器。
特点：灵敏度高、响应速度快、非接触式测量等。
2. 电容式传感器的工作原理电容的定义和公式：电容是电荷存储的能力，C = Q/V。
电容式传感器的测量原理：通过测量电容的变化来检测物体或物质的变化。
3. 电容式传感器的接线方式和基本操作接线方式：电容式传感器通常有单端式和差分式两种接线方式。
基本操作：如何连接电源、信号输出、接地等。
4. 电容式传感器的测量数据分析和误差处理测量数据分析：如何分析电容式传感器的输出信号，并进行数据处理和显示。
误差处理：常见的误差类型和处理方法，如系统误差、偶然误差、粗大误差等。
三、教学方法1. 讲授法：讲解电容式传感器的原理、接线方式和基本操作。
2. 实践操作法：学生亲自动手进行电容式传感器的接线和操作，并进行测量数据分析和误差处理。
3. 问题解答法：针对学生提出的问题进行解答和讨论。
四、教学准备1. 教具：电容式传感器、示波器、信号发生器等。
2. 教材或讲义：关于电容式传感器的相关知识。
五、教学步骤1. 引入：介绍电容式传感器在工业和科研中的应用，激发学生的兴趣。
2. 讲解电容式传感器的原理和接线方式，并展示示例图片。
3. 学生进行实践操作，接线和操作电容式传感器，并记录测量数据。
4. 学生进行分析数据，识别和处理误差。
5. 学生提出问题，教师进行解答和讨论。
六、教学评估1. 学生自评：学生对自己的学习过程和掌握情况进行评价，包括理解程度、操作技能等。
2. 同伴评价：学生之间互相评价，互相学习，提高彼此的操作技能和解决问题的能力。
3. 教师评价：教师对学生的学习情况进行评价，包括理论知识的掌握和实际操作能力等。
传感器作业——非线性误差分析
学生：XXX 学号：XXXXXXXXXXX传感器的非线性误差仪器仪表等测量工具的输入、输出（测量、结果）分别作为直角坐标系的纵轴、横轴，选择适合的坐标轴，并将理想的输入输出对应点标入坐标，可以得到一条理想输入输出关系曲线。
将实际的输入输出对应点标入坐标，可以得到一条实际输入输出关系曲线。
最理想的情况下这两条曲线应该重合，实际上是不可能做到的，这时两条曲线之间的距离就是非线性误差。
一、输入输出曲线的拟合方式：1）直线拟合：直线拟合大致想到以下几种方式：1.以最大△y值判断最佳拟合直线：由于只需要在传感器工作范围内拟合，故只在其工作范围内进行输入输出直线的拟合。
用直线段在其范围内对其拟合，每段拟合直线段都将对应得到一个最大△y值，拟合直线不同，各自最大△y值也不同。
其中最大△y值最小的直线，即为此种拟合方式下对应的最佳拟合直线。
2.以最小二乘法的方式得到最佳拟合直线：以最小二乘方式拟合即为用其误差的平方和判断。
在传感器工作范围内，用直线段对其进行拟合，每段拟合直线段都将对应得到一个误差的平方和值，拟合直线不同，各自误差的平方和也不同。
其中误差的平方和最小的直线，即为此种拟合方式下对应的最佳拟合直线。
2）离散的方式拟合：用阶梯型的曲线在工作范围内对其进行拟合。
每两个阶梯之间的距离即为所用硬件计算的最小时间（或最小时间的2N倍），则最大误差△y由硬件的运算速度决定。
二、常用的非线性传感器的误差补偿方法：非线性传感器的误差补偿方法从硬件方面讲，有补偿电路；从软件方面讲，有神经网络法、数据融合法等；此外也有将软件硬件技术结合起来的方法。
1）硬件补偿：采用传感器电桥电路非线性误差的反馈补偿法。
对于大多数应用电桥电路的传感器，如电阻式温度计、压力传感器等，必须测出电桥中一个或两个桥臂电阻的变化量，即传感器电阻的变化量，作为衡量被测物理量的大小，使传感器具有线性特性。
由于电桥输出电压与桥臂电阻之间存在非线性关系，如图1所示，电桥输出电压与传感器变化量成非线性关系。
传感器原理及应用第三版第3章
Z2、Z3、Z4…固定值阻抗 E……内阻为零的电源电压 下面讨论输出端开路的情况下，电桥的 电压灵敏度K（均以复数形式表达）。
电桥初始平衡条件为： 则输出:
•上一页
•与书中公式差一符号，对 交流电无影响。
•下一页
•返 回
当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc ；将平衡条件代入得下式：
令：
为传感器阻抗相对变化值
•上一页
•下一页
•返 回
3-3 电容式传感器的误差分析
第一节所讨论的传感器原理均是在理想条件下进行，没有考虑 如温度，电场边缘效应，寄生与分布电容等因素的影响，实际上它 们对精度影响很大，严重时使传感器无法工作，因此在设计时应予 考虑。
一、温度对结构尺寸的影响：
由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化 时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。
• 如果
或而
时，则
，即输出与输入同相
位 ，没有滞后；
• 如果
，
时， ，这时电桥为谐振电桥，但桥臂
元件必须是纯电感和纯电容组成。实际上不可能。
• 由图3-9b可知：对于不同的 值， 角随 变化。当 时
；
时， 趋于最大值 ，并且
。只有 时，
值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源 之间总有
相位差，即 ，只有当桥臂阻抗模相等
变大）。
根据上面讨论，所以在实际应用中多采用差动结构，如下图，
当动片上移 ，则
，
同时C2减小 ，两者初值为C0
则有：
•上一页
•下一页
•返 回
差动输出电容为：
同样当
时，忽略高次项得：
其非线性误差 为：
•考虑问题： • C1、C2如何连接才能满足 该式，即形成差动输出。
电桥初始平衡条件为： 则输出:
•上一页
•与书中公式差一符号，对 交流电无影响。
•下一页
•返 回
当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc ；将平衡条件代入得下式：
令：
为传感器阻抗相对变化值
•上一页
•下一页
•返 回
3-3 电容式传感器的误差分析
第一节所讨论的传感器原理均是在理想条件下进行，没有考虑 如温度，电场边缘效应，寄生与分布电容等因素的影响，实际上它 们对精度影响很大，严重时使传感器无法工作，因此在设计时应予 考虑。
一、温度对结构尺寸的影响：
由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化 时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。
• 如果
或而
时，则
，即输出与输入同相
位 ，没有滞后；
• 如果
，
时， ，这时电桥为谐振电桥，但桥臂
元件必须是纯电感和纯电容组成。实际上不可能。
• 由图3-9b可知：对于不同的 值， 角随 变化。当 时
；
时， 趋于最大值 ，并且
。只有 时，
值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源 之间总有
相位差，即 ，只有当桥臂阻抗模相等
变大）。
根据上面讨论，所以在实际应用中多采用差动结构，如下图，
当动片上移 ，则
，
同时C2减小 ，两者初值为C0
则有：
•上一页
•下一页
•返 回
差动输出电容为：
同样当
时，忽略高次项得：
其非线性误差 为：
•考虑问题： • C1、C2如何连接才能满足 该式，即形成差动输出。
电容式传感器产生误差的因素有几个怎么消除
• 工作原理：液位计是一根金属棒插入盛液容器 内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电 容的另一极。电容式液位计原理是采用测量电 容的变化来测量液面的高低的。它两电极间的 介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介 电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同，比如： ε1>ε2，则当液位升高时，两电极间总的介电 常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位 下降，ε值减小，电容量也减小。
• 电容触摸屏的优点：电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及
感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾 有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。 电 容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指 触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡 器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。由 于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往 往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。
• 料带前进过程中,采用激光区域传感器检测 料带左右位置,控制伺服驱动器纠偏.目标是 料带左右偏移正负0.25mm
12.电阻式触摸屏与电容式触摸屏比 较各有什么优缺点？为什么？
• 电容式触摸屏的介绍 ：
• 电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再 在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应 器。 电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形 成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体 层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流 强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算 电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。
4. 边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性及降低传感器 的灵敏度。消除和减小的方法是在结构上增设防护电极， 防护电极必须与备防护电极取相同的电位，尽量使它们同 为地电位。
• 电容触摸屏的优点：电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及
感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾 有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。 电 容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指 触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡 器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。由 于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往 往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。
• 料带前进过程中,采用激光区域传感器检测 料带左右位置,控制伺服驱动器纠偏.目标是 料带左右偏移正负0.25mm
12.电阻式触摸屏与电容式触摸屏比 较各有什么优缺点？为什么？
• 电容式触摸屏的介绍 ：
• 电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再 在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应 器。 电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形 成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体 层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流 强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算 电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。
4. 边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性及降低传感器 的灵敏度。消除和减小的方法是在结构上增设防护电极， 防护电极必须与备防护电极取相同的电位，尽量使它们同 为地电位。
电容传感器数据采集误差分析与校正
电容传感器数据采集误差分析与校正一、引言电容传感器是一种常见的用于测量物体接近程度或者检测物体形状的传感器。
在实际应用中，由于各种因素的影响，电容传感器的数据采集往往存在误差。
因此，对电容传感器数据采集误差进行分析与校正是十分重要的。
二、电容传感器的基本原理电容传感器是利用物体与传感器之间的电容变化来推测物体距离或形状的。
当物体接近或触摸传感器时，电容会发生改变，这一变化可以被传感器测量并转换为相应的电信号。
三、电容传感器数据采集误差的来源1. 环境因素：温度、湿度等环境因素会对电容传感器的性能产生影响，导致数据采集误差增大。
2. 电磁干扰：来自电源或其他电子设备的电磁干扰也会导致电容传感器的数据采集误差。
3. 电容传感器自身特性：如灵敏度不一致、频率响应不平坦等都可能导致数据采集误差。
四、电容传感器数据采集误差分析1. 环境因素对误差的影响分析：在特定的环境下，通过实验测量不同温度、湿度条件下电容传感器的数据，分析环境因素对误差的贡献程度。
2. 电磁干扰对误差的影响分析：通过在不同电磁干扰环境下的实验，测量电容传感器的数据，分析电磁干扰对电容传感器数据采集的影响。
3. 电容传感器自身特性对误差的影响分析：通过对不同型号、不同规格的电容传感器进行测试，分析其特性和误差之间的关系。
五、电容传感器数据采集误差的校正方法1. 环境因素校正方法：通过在实际应用环境中监测环境因素并记录其变化，建立环境因素与误差之间的关系模型，进而根据环境因素对误差进行补偿。
2. 电磁干扰校正方法：采用屏蔽措施或者滤波电路来减小电磁干扰对电容传感器的影响。
3. 电容传感器自身特性校正方法：通过对电容传感器的灵敏度、频率响应等特性进行标定和校正，减小误差。
六、总结电容传感器数据采集误差是不可避免的，但通过对误差来源的分析和校正方法的应用，可以有效提高数据采集的准确性和稳定性。
在实际应用中，根据具体的需求和环境，选择合适的校正方法来降低电容传感器数据采集误差是十分重要的。
教案项目电容式传感器
教案项目：电容式传感器一、教学目标1. 了解电容式传感器的概念、原理和特点。
2. 掌握电容式传感器的应用领域和基本电路。
3. 学会电容式传感器的选型和安装方法。
4. 能够分析电容式传感器的测量信号并进行数据处理。
二、教学内容1. 电容式传感器概述定义：利用电容变化来检测物体或物质的传感器。
分类：固定电容式传感器、可变电容式传感器、电容式微位移传感器等。
2. 电容式传感器的工作原理电容的基本原理：电容器和电容量的概念。
电容式传感器的测量原理：电容变化与被测量的关系。
3. 电容式传感器的特点和应用领域特点：非接触式测量、高灵敏度、宽量程、抗干扰能力强等。
应用领域：位移测量、液位控制、介质厚度测量、成分分析等。
4. 电容式传感器的基本电路电容式传感器的电路组成：电容器、放大器、滤波器等。
电容式传感器的信号处理方法：模拟信号处理和数字信号处理。
5. 电容式传感器的选型和安装选型原则：根据被测量范围、精度要求、输出信号等选择合适的传感器。
安装方法：固定方式、连接方式、接地处理等。
三、教学方法1. 讲授法：讲解电容式传感器的概念、原理和特点。
2. 案例分析法：分析电容式传感器的应用实例，加深对传感器工作的理解。
3. 实验操作法：安排实验室实践，让学生动手操作电容式传感器，掌握安装和调试方法。
4. 讨论法：组织学生讨论电容式传感器的选型和应用问题，培养解决问题的能力。
四、教学评估1. 课堂问答：检查学生对电容式传感器基本概念的理解。
2. 课后作业：布置相关题目，巩固所学内容。
3. 实验报告：评估学生在实验室操作电容式传感器的技能和数据分析能力。
4. 课程设计：让学生设计一个电容式传感器应用方案，检验综合运用能力。
五、教学资源1. 教材：电容式传感器相关教材或专业书籍。
2. 实验室设备：电容式传感器、示波器、信号发生器等。
3. 多媒体教学：PPT课件、视频资料等。
4. 网络资源：相关学术论文、技术博客等。
六、电容式传感器的校准方法1. 介绍电容式传感器的校准概念和重要性。
第3章 电容式传感器
ε r1 ( L0 − L) + ε r 2 L
d0
当L=0时，传感器的初始电容
C0 =
ε 0 ε r1 L0 b0
d0
=
ε 0 L0 b0
d0
当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为
∆C C − C 0 (ε r 2 − 1) L 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 = = C0 C0 L0
∆d 3 相对非线性误差为： = ( δ ) d0
∆d 2 ∆d ( ) = ( ) × 100% d0 d0
结论：差动式电容传感器，不仅使灵敏度提高一倍， 结论 而且非线性误差可以减小一个数量级。
3.2 电容式传感器的测量电路
一、等效电路 如图，C为传感器电容，RP 为并联电阻，它包括电极间 直流电阻和气隙中介质损耗 的等效电阻。串联电感L表 示传感器各连线端间的总电 感。串联电阻RS表示引线电 阻、金属接线柱电阻及电容 极板电阻之和。
C max − C min 87.07 pF − 41.46 pF = = 0.19 pF / L K= V 235.6 L
三、变极板间距（d）型
图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量 变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 。 设动片2未动时极板间距为d0，板间 介质为空气，初始电容为C0，则
d0 d1 ε0 ε1
变ε的电容传感器 ε
ε 0S ε 1S ⋅ 3 . 6π d 0 3 . 6π d 1 C 0 C1 S = C= = ε 0S d1 d 0 ε 1S C 0 + C1 3 . 6π ( + ) + 3 . 6π d 0 3 .6π d 1 ε1 ε 0
传感器实验的误差分析原理
传感器实验的误差分析原理传感器实验的误差分析原理是通过对传感器实验数据进行分析和处理，识别、评估和校正传感器测量中的各种误差来源和影响因素，从而提高传感器测量的准确性和可靠性。
传感器中的误差分析是传感器精度评定的重要一环，具有重要的理论和实际价值。
传感器实验的误差来源可以分为系统误差和随机误差两部分。
系统误差是由于传感器本身的固有缺陷、非线性特性、温度效应等因素引起的，通常与测量变量的值无关；随机误差则是由于外界干扰、电子噪声、测量环境变化等随机因素引起的，通常与测量变量的值相关。
在进行传感器实验误差分析时，通常依次进行以下几个步骤：1. 传感器参数校准：首先需要对传感器进行校准，确定传感器的基本参数，包括灵敏度、线性度、零偏等，以及与环境条件相关的温度补偿参数等。
校准一般使用标准信号源和标准设备进行，通过与标准参考的比较，确定传感器的输出特性，并建立转换模型。
2. 数据采集：进行传感器实验时，需要对传感器输出的信号进行采集和记录。
可使用数据采集卡、模拟-数字转换器等设备进行传感器信号的数字化。
采集的数据包括传感器输出的模拟电压值、数字编码值或其他物理量。
3. 数据分析：对采集到的传感器数据进行分析，包括数据的统计分布、均值和方差的计算，以及传感器的输出特性曲线的绘制等。
通过对数据的分析，可以初步了解数据中的误差来源和分布情况。
4. 误差评估：根据传感器的特性和数据分析的结果，对误差来源进行评估。
包括对系统误差和随机误差的评估，确定其大小和分布情况。
可以使用均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）等指标进行评估。
5. 校正方法：根据误差评估的结果，采取相应的校正方法，对传感器输出进行修正。
校正方法可以是线性或非线性修正，根据传感器的特性和数据分析的结果确定。
校正方法包括增益校正、零点校正和非线性校正等。
6. 可靠性评估：对经过校正的传感器进行可靠性评估，包括评估传感器测量的精度、准确度、稳定性和可重复性等指标。
电容式电压互感器误差检验现场影响因素分析
电容式电压互感器误差检验现场影响因素分析摘要：电容式电压互感器是电力系统的基础设施，可以有效的提高各区域的配电水平，当今社会飞速发展，电容式电压互感器设备具有绝缘的特点，在高压下，成本远远低于电磁式电压传感器。
使用电容式电压互感器设备有效的提高了电力服务水平，与此同时也节约了成本。
本文通过对电容式电压互感器的介绍，针对电容式电压传感器在实际生活中误差检验现场影响因素进行了分析。
关键词：电容式；电压互感器；现场影响电压互感器有电容式电压互感器和电磁式电压互感器，这两种电压互感器是根据他们的工作原理进行划分的。
这两者中的电磁式电压互感器，其工作原理比较稳定，工作数据不易受周围环境影响。
但是电容式电压互感器与之不同，电容式电压互感器极易受到温度、环境等影响。
只有准确的分析电容式电压互感器误差检验现场的影响因素，才能能到准确的数据。
一、电容式电压互感器结构及原理电容式电压互感器主要是由两个部分组成，分别是电容分压器以及中压变压器组成。
电容式电压互感器的原理是有串联的分压器抽取电压，再由变压器将电压改变，并且作为表计、继电保护等的电压源的电压互感器，这个串联装置就叫做电容式电压互感器。
电容式电压互感器的用处诸多，比如他可以将载波频率耦合到输电线上，用于长途通信、遥控、继电保护、数据检测等等。
电容式电压互感器属于绝缘体，与电磁式电压互感器相比，电容式电压互感器更易于受环境、温度、频率等外界因素影响，但是在高压检验环境中，使用电容式电压互感器更加节约成本。
二、误差影响因素（一）电容分压器温度影响影响电压式电容互感器的因素有很多，其中最主要的因素是温度。
电容式电压电压互感器是串联结构的，由多个电容元件串联而成。
这个电容元件的材质多为膜与纸相结合的方式组成，属于一种绝缘体。
电容分压器的生产厂家多是以膜与纸相结合，在用一个铝箔制成的小圆卷组成，制作完成后，套入瓷套内，并且抽空空气[1]。
由于电容式分压器的制作与材质的原因，当温度变化时，会出现热胀冷缩的现象，从而影响电容的量，温度越低，对电容分压器的影响就越大，现场检验的误差就越大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电容传感器的误差分析摘要：电容传感器具有高灵敏度、高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点，在测量荷重、位移、振动、角度、加速度的工业领域有着广泛的应用,随着新材料、新材料的应用，电容式传感器在我们日常生活中广泛的使用，如现在手机的电容式触摸屏，凭借其多点触控、不易误触等优点取代了电阻触摸屏；最近Apple公司推出的最新款手机Iphone5s的HOME键的指纹识别功能，也是使用电容传感器实现指纹采集的。
电容传感器的高灵敏度、高精度的优点离不开精细的加工技术、正确的选材以及正确的设计。
本文从不同方面考虑以发扬优点、克服缺点。
1、减小环境温度、湿度变化所产生的误差温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变电容传感器的电容量,产生温度误差。
湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。
因此必须从选材、材料加工工艺等方面来减小温度等误差以保证绝缘材料具有高的绝缘性能。
电容传感器的金厲电极材料以选用温度系数低的铁镍合金为好，但较难加工也可釆用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。
传感器内电极表面不便经常淸洗，应加以密封，用以防尘、防潮。
若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等)层，则可代替密封件而起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并且可以在高温下减少表面损耗，降低温度系数，但成本较高。
传感器内电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。
因此选用温度系敷小和几何尺寸长期稳定性好，并具有髙的绝缘电阻、低的吸潮性和高的表面电阻的材料作为支架。
例如，可以采用石英、云母、入造宝石及各种陶瓷，虽然它们较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等材料。
在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，选用时也可予以考虑。
尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质作为电容传感器的电介质。
若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误^这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿(如采用与测量电桥相并联补偿电桥)，但不易完全消除。
在可能的情况下，传感器尽量采用差动对称结构，这样可以通过某些类型的电子电路(如电桥)来减小温度等误差。
可以用数学关系式来表达温度等变化所产生的误差，并作为设计依据，但这种方法比较繁琐。
选用50 kHz至几兆赫作为电容传感器的电源频率，可以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。
传感器要密封以防止，分浸入内部而引起电容值变化和绝缘性能变坏。
传感器的壳体刚性要好，以免安装时变形。
2、消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且会产生非线性，因此应尽量消除和减小边缘效应:适当减小极间距，使极径与间距比很大，可减小边缘效应减小的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。
也可以采用上述电极做得极薄使其极间距相比很小的办法来减小边缘电场的影响。
除此之外，还可在结构上增设等位环来消除边缘效应，如图所示。
其中图为带有等位环的电容传感器原理图。
图中2为传感器内电极(圆形)，1为另一电极(可以在传感器内也可以是被测物),3为等位环。
等位环3安放在电极2外,且与电极2电绝缘。
等位环3与电极2等电位，这样就能使电极2的边缘电力线平直，两电极间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3的外周不影响工作。
等位环的外面还加有套筒，供测量时夹持用，可接大地以防止外界电场的干扰，且与等位环3电绝缘。
3、消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度。
它的变化为虚假信每，影响仪器的精度，必须消除和减小它。
可采用如下方法。
(1)增加原始电容值可减小寄生电容的影响可采用减小极板或极筒间的间距(平板式间距为mm，圆筒式为0.15 mm)、增加工作面积或工作长度的方法来增加原始电容值，但会受加工及装配工艺、精度、示値范围、击穿电压、结构等限制。
一般电容值变化在10−3〜103pF范围内，相対值ΔC/C则变化在10−6〜1范围内。
(2)注意传感器的接地和屏蔽右图所示釆用接地屏蔽的圆筒形电容传感器。
图中可动极筒与连杆固定在一起随被测对象移动。
可动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。
电缆引线也必须屏蔽至传感器屏蔽壳内。
为了减小电缆电容的影响，应尽量使用短而粗的电缆线，缩短传感器至测量电路前置级的距离。
(3)将传感器和测量电路前置级装在一个壳体内(整体屏蔽法)将传感器与测量电路的前置级(集成化)装在一体内，省去传感器至前置级的电缆。
图中，CXI，CX2为差动电容，U为电源，A为放大器。
整体屏蔽法是把整个电桥（包含电源电缆等）一起屏蔽起来，设计的关键点在于接地点的合理设置。
采用把接地点放在两个平衡电阻R1、R2之间，与整体屏蔽共地。
这样，传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容C1与测量放大器的输入阻抗并联，从而可把C1视作放大器的输入电容。
由于放大器的输入阻抗应具有极大的值，C1的并联也不希望存在，但它只是影响灵敏度而已。
另外的两个寄生电容C3、C4并联在桥臂R1、R2上，会影响电桥的初始平衡和整体灵敏度，并不影响电桥的正常工作。
因此寄生参数对传感器电容的影响基本消除这样，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器件的温度漂移而不能在高温或环境差的地方使用。
(4)采用“驱动电缆”技术(也称“双层屏蔽等位传输”技术）当电容传感器的电容值很小，且使用环境湿度又可能很高(如500℃)，电子元器件不能承受高温而只能与传感器分开时，必须考虑消除电缆电容的影响。
这时可采用“驱动电缆”技术，右图所示。
传感器与测量电路前置级的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输导线(即电缆芯线)通过1 : 1放大器变为等电位，从而消除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10 m之远也不影响仪器的性能。
外屏蔽层接大地(或接仪器地)用来防止外界电场的干扰。
内外屏蔽层之间的电容是1：1放大器的负载。
1 : 1放大器是一个输入阻抗要求很高，具有容性负载、放大倍数为1 (准确度要求达1/10 000)的同相(要求相移为零)放大器。
因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但却能保证电容传感器的电容值小于1 pF时，仪器仍可正常工作。
(5)运算放大器驱动法采用驱动电缆法消除寄生电容，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输入输出的相移为零，这是设计的难点。
而采用运算放大器驱动法可有效的解决这一难题。
图中，（-Aa）为驱动电缆放大器，其输入是（-A）放大器的输出，（-Aa）放大器的输入电容为(-A)放大器的负载，因此无附加电容和CX并联，传感器电容CX两端电压为UCX=U01-U02=U01-（-A U01）=（1+A）U01 （1）放大器（-Aa）的输出电压为U03= -AaU02 = AAaU01 （2）为实现电缆芯线和内层屏蔽等电位，应使UCX=U03,于是可以得到(1+A)U01 = A Aa U01即Aa =1+(1/A) （3）运算放大器驱动法无任何附加电容，特别适用于传感器电容很小情况下的检测电路。
4、漏电阻的影响电容式传感器的电容量一般都很小,仅几十皮法,甚至几个皮法,大的也仅几百皮法。
如果电源频率低，则电容式传感器本身的容抗就可达几兆欧至几百兆欧。
由于它的内阻抗很高,所以绝缘问题显得十分突出。
在一般电器设备中绝缘电阻有几兆欧就足够了,但对于电容式传感器来说却不能看做是绝缘,一般绝缘电阻将被看做是对电容式传感器一个旁路,称为漏电阻。
漏电阻将与传感器电容构成一复阻抗而加入测量线路影响输出，更严重的是当绝缘材料性能不好时,绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化,致使电容式传感器的输出产生緩慢的零位漂移。
所以绝缘材料成选用玻璃、石英、陶瓷、尼龙等, 而不能用夹布胶木等绝缘材料。
5、防止和减小外界干扰电容传感器是高阻抗传感元件，很易受外界干扰的影响。
当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起传输至测量电路时就会产生误差。
干扰信号足够大时，仪器无法正常工作，甚至会被损坏。
此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，会给仪器带来误差和故障。
防止和减小干扰的某些措施已在上面有所讨论，现归纳如下。
(1)屏蔽和接地。
用良导体做传感器壳体，将传感元件包围起来，并可靠接地;用金属网把导线套起来，金属网可靠接地;双层屏蔽线可靠接地;传感器与测量电路前置级一起装在良好屏蔽壳体内，壳体可靠接地等。
(2)增加原始电容值，降低容抗。
(3)导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽线。
(4)尽可能一点接地，避免多点接地。
地线要用粗的良导体和宽印刷线。
6、采用差动结构尽量采用差动式电容传感器，如差动变极距型、差动变面积型，其测量电路采用自动平衡电桥电路、差动脉冲宽度调制等，可减小非线性误差、提高灵敏度、减小寄生电容的影响及减小干扰。
结束语本文所介绍的减小误差方法都属于硬件补偿，通过硬件的设计来提高灵敏度、减小干扰和非线性误差。
随着计算机控制技术的广泛应用，也可以用软件的方法进行电容式传感器的非线性补偿，软件补偿可以弥补有时硬件无法做到的方面，而且更具灵活性，物质成本低，但软件线性化的实时性不及硬件法。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。