电容式传感器
电容式传感器范文第1篇
【关键词】电容式压力传感器；误差；干扰
0.概述
我们所处的时代是信息时代，信息的获取、检测要靠传感器和传感技术来实现。传感器越来越广泛地应用于航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工等技术领域。电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。压力传感器是目前所有传感器种类来说，是使用最多的传感器，它的市场占有量也不不可估量的，那么它的各项技术也得根据市场需要，进行不断的改进和完善，以适应各个领域越来越苛刻的环境。
1.电容式压力传感器工作原理及其数学模型
1.1结构介绍
电容式压力传感器主要由一个膜式动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差动电容器即敏感元件。敏感元件是由隔离膜片、电容固定极板、测量膜片、灌充液组成，以测量膜片为中心线轴对称，测量膜片与两侧的金属模构成一对相等的平行板电容。如图1所示。
图1 敏感元件结构图
1.2工作原理
当被侧压力或压力差作用于膜片并产生位移时，形成的两个电容器的电量一个增大、一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力差相对应的电流或电压的变化。
图2 电容式压力传感器工作原理图
1.3压力—电容转换
如图3所示，被测压力通过高压侧隔离膜片，加到灌充液，液体流过瓷心孔进入腔室，将压力加到测量膜片上，膜片受力后发生位移，测量膜面与两侧构成的电容值随之变化，低压侧电容增加，高压侧电容减少。
图3 平行板电容器
厚膜片位移与差压转换关系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系数；R：膜片周边半径；d：膜片中心处位移
t：膜片厚度；P：被测差压；E：膜片材料的杨氏弹性恒量
薄膜片具有初始张紧，其位移与差压转换公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差压作用于室时，中心膜片的位移 与差压成正比。
1.4位移—电容转换
由于固定极板凹面直径很大，可视为平行板电容器，平行板电容C=。
ε为平行板中间介质的介电常数；
A平行板电容的面积；
d平行板电容两端间距。
PH：高压室所受压力；PL：高压室所受压力。
当两边压力相等时即PH=PL，初始电容量C=C=K
当PH>PL，测量膜片位移为d，此时低压侧的电容为C=K（d0-d），高压侧电容为CH=K（d0+d），取=
d·K2=
（公式3）
由公式2、公式3可知P·K·K=
（公式4）
改变结构系数K1即可实现不同量程的测量，将位移量转换成
的变化。
1.5电容比—电流的转换
解调器将流过CL、CH的交流电流解调成直流电流IL、IH，原理图如图4
图4
2.电容式压力传感器的性能
2.1静态特性
当被测量X不随时间变化，或随时间的变化程度远缓慢与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度时，传感器的输出量Y与输入量X之间的函数关系。因为这时输入量与输出量都和时间无关，所以他们之间的关系即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量做横坐标把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2.2动态特性
当被测量X随时间变化，而且随时间的变化程度与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度相比不是缓慢的变化程度时，传感器的输出量y与输入量X之间的函数关系。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
3.影响电容式压力传感器精度的因素
电容式压力传感器直接接触或接近被测对象而获取信息，与被测对象同时都处于扰的环境中，不可避免地受到外界的干扰。压力传感器如果说它的抗干扰能力不过硬，那么在它的价值上，也是个相差很大的，因为的应用范围受了很大的限制，所以市场前景也是得不到扩大的，提高抗体干扰性是不容忽视的问题。
3.1温度影响
由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。化工冶金锅炉等高温环境下的压力测试还可以通过改善敏感元件电容器的物理特性改变传感器的尺寸进一步提高传感器的工作范围灵敏度等。
3.2静压影响
金属电容两边受压，压力经隔离膜片传递到内部中心膜片上。从图5可以看出传感器内部的压力从中心向四周方向分布，X方向的应力得到全部抵消，但是Y方向的应力q全部加在传感器的外壳上。由于结构尺寸的原因，越靠近中心结构越单薄，传感器的抗压能力越差，尤其是中心膜片处结构强度最为薄弱。在高静压下，中心点处产生一个最大的扰度。在高静压下中心膜片向外的张紧力增加，膜片的紧绷程度相对工作静压为零时得到加强，并且工作静压越大其紧绷程度越大，中心膜片随差压的位移变小，产生误差。并且静压影响绝对误差，工作静压越大其量程的静压误差越大。至于零位的静压误差，则表现为方向的不确定，这主要由焊接应力和传感器的个性相关，不具有规律性。通过提高制造加工精度来减小静压误差。
图5 应力分布和扰度变化图
3.3边缘效应的影响
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。
3.4寄生电容的影响
电容式压力传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响可缩小传感器至测量线路前置极的距离将集成电流的发展、超小型电容器应用于测量电路。可使得部分部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。 [科]
【参考文献】
[1]刘沁，周东旭，张治国，匡石，李新.电容式压力传感器的线性化校正与温度补偿.仪表技术与传感器，1002-1841（2010）11-0001-02.
[2]徐坚.金属电容式传感器的静压影响误差.自动化仪表.TP202.201103.
[3]李继文.加速度传感器集成电路ADXL05及其应用[J]国外电子元器件，1996，（08）.
电容式传感器范文第2篇
关键词：油； 油液检测； 介电常数； 电容传感器
中图分类号：TN919-34 文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)20-0164-03
Study on Detection Method of Lubricating Oil Quality by Parallel Electrode Capacitance Sensor
HOU Xiao-ya, ZHANG Ying-tang, LI Zi-ning
(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)
Abstract：The microcosmic cause of dielectric constant changes is analyzed. Based on this principle of dielectric constant measurement, in order to measure lubricating oil quality, considering SNR and other factors, the parallel electrode capacitance sensor was designed. The testing experiments were carried out on the lubricating oil sample in different application period with resonance method. The windage of maximun deviation is 4.8%. The data is processed by using formula which takes axial edge effect into account. The results show that changes of lubricating oil's dielectric constant can be detected effectively without changing the oil tube in the machine, which can provide reference for estimating the state of lubricating oil.
Keywords： lubricant lubricating oil monitoring; dielectric constant; capacitance sensor
油在使用一段时间后，由于外界杂质的侵入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因［1］，会使油液的介电常数值发生变化。使用电容传感器测量油液的介电常数可以反映油品质、磨损故障等信息。当前的离线油质分析仪不能完全准确地反映整体油液的质量信息，在油液中磨粒较大、分布不均匀的情况下尤为明显。本文设计了一种用于现场快速检测的电容传感器，该传感器成本低廉、使用方便，外接电路后可快速检测油的使用状况。
1 油介电常数测量原理
油是一种复杂的烃类混合物，可以把它作为┮恢值缃橹世纯悸恰K孀湃蠡油使用期的增加，其性能衰变主要体现在以下几个方面：
（1） 油内部组分长期与空气接触发生氧化反应；
（2） 粘度指数改进剂、抗氧剂、抗磨剂等添加剂损耗；
（3） 外部污染，包括水污染、乙二醇污染、固体颗粒污染等。
油被氧化、添加剂损耗会导致分子极性变化；水的进入会产生H+，OH-离子；酸值的变化伴随着H+，RCOOˉ离子的产生；金属磨粒会产生自由电子［2］。以上几种因素均会不同程度地改变油液内部极化成分的数量，从而导致介电常数值的变化，所以介电常数是反映油液老化、被污染以及磨损状况的一个综合参数。
电介质的介电常数大小可通过测量平行板电容器的电容来间接获得。对于如图1所示的平行板电容器，多数文献采用了以下公式表达电容与内部介质的介电常数关系：
ИC=ε0εrS/d（1）И
式中：Е弄r为内部介质的相对介电常数；ε0为真空介电常数；S为极板面积；d为两极板间距。
上述公式是在极板长度a，宽度b远大于极板间距d的情况下推导出的，此时由于边缘效应影响而引起的附加电容可以忽略不计。但在实际应用中，因测量空间的限制，极板不可能为无限大。根据文献［3］的研究成果，有限尺寸的平板电容器，计及边缘效应的电容近似表达式为：
ИC=εabd+εaπ1+ln1+2πbd+ln1+2πbd+
εbπ1+ln1+2πad+ln1+2πad（2）И
又Е=ε0εr，所以上式可改写为：
ИC=Kεr （3）И
由此可以看出电容值C与介质的相对介电常数εr具有理论上的线性关系，通过测量内部充满油的电容器的电容值,就可以确定机油品质的劣化程度。
图1 平板电容器模型
2 电容传感器设计
考虑到现场离线快速检测的便捷性、稳定性要求，传感器采用平行极板式结构，其基本形状示意图如图2所示，主要由一对平行极板、外部固定装置和一个有机玻璃油槽组成。接线柱内嵌铜芯，与极板焊接在一起。由于在下一步的方案规划中，拟加入光电检测模块，所以在传感器左右两侧设计了凹槽，以使激光穿过油液，测量透光率。为避免外界电磁干扰，电极外面加上金属屏蔽罩。
图2 电容传感器示意图
对于传感器材料的选择和尺寸的确定主要考虑以下因素：
（1） 用于电容传感器的电极材料主要有炭材料、金属氧化物和导电聚合物。本文选择成本低廉、导电性好、温度系数低、容易获取和加工的铜作为极板材料，并根据其标准规格和灵敏度要求确定极板厚度P=0.5 mm。
（2） 极板尺寸和间距决定了传感器的大小和被测油量的多少。使用中的油是成分复杂的混合物，尤其是摩擦产生的磨粒，大小和分布并不均匀。为了使测量更加准确，显然取油量越大越好，但现场操作又要求用最少的油样数量获得满意的数据，而且小型化的传感器更利于制成便携式检测系统。为了减弱边缘效应的影响，极板间距要尽量小，但间距的减小势必导致极板被击穿的可能性增加。综上所述并参考文献中的设计经验，初步确定极板长a=50 mm，宽b=30 mm，间距d=20 mm。
（3） 油槽材料选择有机玻璃［3］，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，这种材料表面光滑度高，不易粘着油液中的污染物，清洗方便；透射率高达92~93%，可透过可见光99%；强度高，韧性好，易于加工；能耐一般的化学腐蚀。根据加工的要求和有机玻璃的标准规格，拟定油槽壁厚为1.5 mm。
（4） 聚四氟乙烯具有较高的机械强度和良好的绝缘性，且成本低、介质损耗小，因此选用该材料加工成固定装置［4］。
3 实验验证
采用谐振法对传感器进行了测试，测试电路由振荡电路、低通滤波放大电路、单片机计数器及显示模块组成，如图3所示。振荡电路将传感器的电容变化转化为频率的变化，此频率信号经滤波放大和分频后送入单片机计数器，由单片机进行数据处理，将得到的电容值显示在LCD上。测量之前要保证油槽的干燥以防混入水分，被测油样分别取自某型号柴油发动机和变速箱。
从表1中数据可看出，实验结果重复性很好，2种不同介质多次测量结果标准差分别为0.207，0.351，最大偏差分别为3.1%，4.8%，说明在确定的实验条件下，测得的数据是可靠的。空气的相对介电常数可视为1，从表中数据也可计算出传感器的杂散电容大约为6.9 pF。对不同使用期的油样进行了测量，每种油样均采用多次测量求平均值的方法得出最终数据，实验结果如表2所示。
根据式(2)计算油样的相对介电常数值，计算时需减去杂散电容［4］。绘制油品相对介电常数与使用期的关系曲线，如图4所示。
4 结 语
本文基于介电常数测量原理研制了一种用于油现场快速检测的电容传感器，该传感器具有以下优点：结构简单，不需要复杂的制造工艺，而且所选择的材料价格低廉；取油方便，不必对机器内部油路进行拆装即可实现现场快速检测；极板间电场强度相对均匀，这就使各种极化成分在检测场内的空间位置对测量结果的影响较小；玻璃油槽将油液与极板隔开，防止对极板造成污染，测量后容易清洗，避免了污染物沉积影响测量精度。实验验证了其稳定性和有效性，对于合理标定换油阈值、实现按需换油，具有重要的应用价值。
参考文献
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电容式传感器范文第3篇
关键词：加速度差容式力平衡传感器
加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。
1、加速度传感器原理概述
加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。
差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。
2、变间隙电容的基本工作原理
如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。
由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化，而是限制在一个较小的范围内，以使与C的关系近似于线性。
它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减少起始间隙,但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。
由式（2－5）可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度，因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移增加时，另一个电容器C2的电容则减少，它们的特性方程分别为：
可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。
3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构
3.1工作原理
如图1所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图
电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器LT1058，双运放op270放大器组成。
3.2差容式力平衡传感器机械结构原理
由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。
当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1＝C2，C＝0后续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量C，C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。
4、力平衡传感器实际应用
哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：
测量范围：±2.0g，±0.125g，±0.055g
灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差动输出）
BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高灵敏度）
频响范围：DC-50Hz（±1dB）
绝对精度：±3％FS
交叉干扰：小于0.3%
线性度：优于1%
噪声：小于10μV
动态范围：大于120dB
温漂：小于0.01%g/g
电源：±12V-±15V@30.0mA
电容式传感器范文第4篇
【关键词】电压互感器;铁磁谐振;电子式电压互感器;光学电压互感器
Abstract：With rapid development of digital substation，it has become inevitable trend that electronic transformer would take the place of traditional transformer.This paper discussed defects of traditional transformer，and some major electronic voltage transformer studied abroad and home were compared with each other also，factors affected those EVT’s metering accuracy and stability were figured out.On the basis above，a new method of electronic voltage transformer based on detecting current of high voltage capacitor，was proposed.This EVT had simple structure，high measuring accuracy and convenient signal transmitting access.
Keyword：voltage transformer;ferro-resonance;electronic transformer;optical voltage transformer
引言
随着国民经济的迅速发展，电网规模不断地扩大，输电线路电压等级不断提升。传统的电压互感器为满足绝缘要求，其愈发显得体大质重，不便于运输和维护。同时，随着信息技术手段的发展，数字化微机保护装置和综合自动化设备越来越普及，数字化变电站已经不再是一个虚拟的概念。例如，我们通常规定电压互感器二次电压是57.7V或100V，这么高的电压无法与保护设备直接连接，而且微机保护装置和变电站自动化设备输入负载已经很小，不再需要大功率驱动。因此发展电子式电压互感器，既能解决与保护装置接口的问题，又能降低能源损耗，适应电力系统自动化、数字化的发展要求[1-4]。电子式互感器是未来互感器发展的方向，本文对近年来国内外电子式电压互感器的研究和开发状况作了简要的介绍和讨论。
1.传统电压互感器存在的一些问题
1.1 电磁式电压互感器
电压互感器是电网中重要的电压信号采集装置。目前，在国内、外电网中运行的电压互感器主要以电磁式电压互感器（PT）和电容式电压互感器（CVT）为主。1830年法拉第发现了电磁感应定律，1882年世界上第一台以电磁感应原理为基础的电压互感器问世。电磁式电压互感器是在电网中应用最久的、制造技术最为成熟的电压互感器，并且拥有相当丰富的运行经验。但限于其传感原理，为满足绝缘的要求，一般体积大重量大，且存在铁磁谐振的隐患[5]。随着电网电压等级的攀升，其局限性也愈发暴露出来[6]。图1为电磁式电压互感器产生铁磁谐振的等效电路。
图1 PT铁磁谐振电路
根据等效电路有：
（1）
式中YA、YB、YC为各相对地等效导纳。当互感器铁芯饱和、电感下降时，即有可能诱发铁磁谐振。
1.2 电容式电压互感器
电容式电压互感器采用电容分压原理，将母线高电压通过串联电容器在其低压端抽取一1～2万伏的电压，再经过中间变压器降压，在二次侧得到两组或三组57.7V的相电压和一组100V的开口三角电压如图2所示。在额定工频下，补偿电抗器的电抗与中间变压器的漏抗之和与等值容抗ω（C1+C2）串联谐振，使中间变压器一次侧绕组上的压降等于分压电容器C2上的压降，可使中间变压器的输入电压稳定。与电磁式电压互感器相比，在同一电压等级下的体积和重量有了很大的降低。但由于电容器的特性决定了其动态特性较之电磁式要差[7]，同时它仍然存在铁磁谐振的隐患[8]。
图2 CVT原理图
2.电子式电压互感器分类
2.1 电阻分压型
电阻分压型电子式电压互感器采用精密电阻分压，在低压侧取一个几伏的电压信号，如图3所示。通过屏蔽导线将信号引入处理电路，再经过调相、调幅电路输出二次电压。电阻分压型电子式电压互感器采用精密电阻分压器作为传感元件，其技术成熟，结构简单，具有测量准确度高、体积小、重量轻等优点，但受电阻功率和绝缘的限制主要应用于10kV和35kV等级的电压网络。在国外，ABB、SIEMENS等公司已经研制出了电阻分压型电子式电压互感器产品并投入运行。国内一些科研单位也展开了相应的研究。
图3 电阻分压型电子式电压互感器
图4 电容分压型电子式电压互感器
电阻分压型电子式电压互感器的不足在于：①互感器对分压电阻精度要求高，而电阻受温度影响较大，因此很难保证测量的可靠性。②电阻材料的选择及制造工艺要求高，成本高。③受电阻功率和绝缘的限制，其适用电压等级低。④由于提取的是电压信号，传输导线不能引得太长，以避免因导线压降引起的测量误差。⑤同时，因为引导线不能太长，处理电路与分压器不能距离太远，限制了此类电压互感器的使用范围。⑥虽有保护间隙，但一次侧与二次侧没有有效的电气隔离。
2.2 电容分压型
图4所示的电子互感器是一种典型的电容分压型电子式电压互感器。从分压电容C2处采得一4～6伏的低电压信号经过数字变换器转换成数字信号，再经过电光转化变成光信号，通过光纤传送到保护和测控装置。
由图4知，所取低电压u2与被测高压u1的关系为：
（2）
因此，通过这种形式的电容分压可以反映一次高压。还有一种电容分压形式如图5所示，与上面电路不同在于其在电压电容C2上并联了一个低阻值电阻R，其等效于电容电阻分压。这主要是因为电容C2性能不太稳定，该形式的互感器主要应用于GIS（气体绝缘开关）系统中。
图5 GIS电容分压型电子式电压互感器
由图5知，电压传感器输出电压u2与被测电压u1的关系为：
（3）
若时：
（4）
由式（4）知，只要对处理电路输入电压进行积分即可获得与高压侧电压成线性变化的二次电压信号。在国内已经有多家单位研制出了220kV电压等级的电容分压型互电子式电压感器，但其效果有待进一步检验[9]。
电容分压型电子式电压互感器的不足在于：①由于分取的电压小，分压器高压侧电容值很小，要制作如此小的电容其制作工艺复杂，成本高。②高压侧与处理电路间没有电气隔离。③为减小导线压降，电压传输导线不宜过长，这就限制了处理电路只能在分压器附近，其供电电源的可靠性难保证。④光纤传输系统复杂，且电＼光、光＼电转换繁琐。⑤处理电路置于现场，温度的大幅变化对电子器件的稳定工作有不可忽视的影响。
2.3 Pockels电光效应型
光学电压互感器（OVT）采用光学元件作为传感单元，根据工作的原理可划分为基于Pockels电光效应的OVT和基于逆压电效应的OVT。晶体折射率随外加电压线性变化的现象称为线性电光效应，即Pockels效应，它又分为纵向Pockels效应和横向Pockels效应;图6所示是一种基于纵向效应的OVT。基于Pockels电光效应的 OVT，利用某些晶体（如电光晶体）在外加电场作用下其折射率发生变化，使通过其中的偏振光产生人工双折射，沿感生主轴方向分解的两光束由于折射率不同，导致在晶体内传播的速度不同，从而形成相位差，两光束的相位差通过检偏器等光学元件的变换，可转化为光强变化，从而实现对外施电场（或电压）的测量。
图6 Pockels电光效应原理图
图6中两偏振轴上的光相位差为：
（5）
式中：λ为入射光波长，n0晶体折射率;γ为晶体的电光系数，U为待测电压。
根据马吕斯定律，自然光经过第一块偏振器（起偏器）时，出射的偏振光光强为入射自然光的二分之一。该偏振光经过第二块偏振器（检偏器）后，出射光光强为：
（6）
式中Uπ=λ/2γn03。
因此通过检测出射光的强度，再根据式（6）即可将换算出被测电压值。
Pockels电光效应型电压互感器的不足在于：①对于纵向Pockels效应，在选定好晶体后其半波电压是固定的，因此若要测量更高的电压则还需电容分压后加到晶体的两端。②对于横向Pockels效应，有自然双折射引起的相位延迟，这个附加相位差极易受外界温度变化影响。③对于纵向Pockels效应，电场的不均匀性对测量的准确有很大的影响。④环境温度的变化会引起晶体电光系数γ的变化。
2.4 逆压电效应型
逆压电效应是指当压电晶体受到外加电场作用时，晶体产生极化的同时形状也将产生微小变化，这种现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶体形变转化为光信号的调制并检测光信 号，则可实现电压的光学传感，其原理如图7所示。
图7 逆压电效应型
以压电陶瓷（PZT）和单模光纤作为传感头的OVT为例。将单模光纤固绕在压电陶瓷圆柱上，匝数N，被测电压U施加于圆柱两端，则它的横向应变将引起光纤中传输光的相位移Δφ=KNU，式中K为与光波长、光纤及压电陶瓷有关的常数。由此可知，通过测量 Δφ即可获知被测电压U的大小。它的优点是不需要电光晶体，可以避免一些不利光学效应对传感信号的干扰，而且成本很低。
逆压电效应型电压互感器的不足在于：①制造相应光纤的工艺复杂，一些具体技术问题还未很好的解决。②到目前为止，其测量的精度不高。
2.5 Kerr效应型
Kerr效应是存在于某些光学各向同性介质中的一种二次电光效应，其表达式为：
（7）
式中Δn为介质折射率的变化量，E为外加电场强度，K为常数。介质中Δn的出现将引起通过它的光波偏振状态的变化，故由检测光波偏振态可获知被测电场强度。但Kerr效应很弱，而且Δn与E不是线性关系，因此在电子式电压互感器中应用的还比较少。
3.检测电流型电子式电压互感器
检测电容电流型电子式电压互感器的原理接线框图如图8所示。图8中Up为单相高压母线或单相出线一次电压;C为高压电容器;TA为高精度电流互感器;1为电流变电压运算放大器;2为积分放大器;3为相位校正电路;4为保护间隙;5为工作电源。
TA电流互感器将通过高压电容器的电流信号传送到信号处理电路，从而实现对一次高电压的测量。因此，电压互感器的总变比为：
（8）
式中K1为电流传感器的变比，K3为积分放大倍数，R为TA二次电流转化成电压信号时的取样电阻，C为高压电容。
图8 电子式电压互感器结构图
4.结论
本文针对现有的各类电子式电压互感器作分析和比较，阐述了基于各种原理的电子式电压互感器的结构和特点。
参考文献
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电容式传感器范文第5篇
[关键词]传感器 敏感元件 标定 测量
中图分类号：S951.4+3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0113-01
传感器的定义
传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计量核算、检测诊断等系统中必不可少的基础环节。通常是检测系统与被测量对象之间的接口，处于监测系统的输入端，其性能直接影响着整个检测系统，对检测精确度起着主要作用。一般来讲，自动监测装置中最初感受被测量并将它转换为可用信号输出的器件叫传感器，在工程上也称为探测器、换能器、测量头。
传感器的基本组成
传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。敏感元件指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息（非电量）的元件，如机械类传感器当中的弹性元件。转换元件指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）的信息直接转换成电信号的部分。如应变式压力传感器由弹性膜片和电阻应变片组成，其中电阻应变片就是转换元件。辅助器件通常包括电源，如交流、直流供电系统。
值得注意的是，有一些传感器的敏感元件和转换元件是二者合一的，如热电偶、压电晶体，光电器件。
传感器的分类
由于工作原理、测量方法和被测对象的不同，传感器的分类方法也不同。目前，采用较多的分类方法如下：
按信号变换的特征，分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器是指依靠敏感元件材料本身的物理变化来实现信号的变换。例如，水银温度计是利用谁引得热胀冷缩现象把温度的变化变成水银柱的高低，实现温度的测量。结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化来实现信号的转换。例如，极距变化型电容式传感器就是通过极板间距离的变化实现测量。
按用途，分为力传感器、加速度传感器、位移传感器、温度传感器、流量传感器等等。
按工作的物理基础，分为电气式传感器、光学式传感器、机械式传感器等等。
按能量关系，分为有源传感器和无源传感器。有源传感器能将非电能量转换为电能量，也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属此类传感器。无缘传感器本身不能换能，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以必须具有辅助能源（电源），故又称为能量控制型传感器。例如电阻式、电容式和电感式等参数型传感器属此类传感器，此类传感器通常使用的测量电路有电桥和谐振电路。
按测量方式，分为接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流式传感器和超声波传感器等。
按输出信号的形式，分为模拟式传感器和数字式传感器、模拟式传感器输出信号是连续变化的模拟量，如电容式传感器。数字式传感器的输出信号是数字量，如光栅。
传感器的性能参数及要求
传感器的优劣，一般通过若干主要性能指标来表示。除了前面已在一般检测系统中介绍的特征参数如灵敏度、线性度、分辨率、准确度、频率特性等特性外，还常用阀值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性以及与环境相关的参数、使用条件等。不同的传感器常常根据实际要求来确定其主要指标参数，有些指标可以低些或可不考虑。下面简单介绍一下阀值、漂移、过载能力、稳定性、重复性的定义，可靠性的指标内容以及传感器工作要求。
（1）阀值
即零位附近的分辨力，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。
（2）漂移
指一定时间间隔内传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。包括有零点漂移与灵敏度漂移。
（3）过载能力
指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。
（4）稳定性
指传感器在具体时间内仍保持其性能的能力。
（5）重复性
指传感器输入量在同一方向做全量程内连续重复测量所得输出-输入特性曲线不一致的程度。产生不一致主要原因是传感器的机械部分不可避免的存在着间隔、摩擦及松动等。
（6）可靠性
通常包括工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等指标。
（7）传感器工作要求
主要要求是：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单；使用维护方面、功耗低等。
传感器的标定与校准
（1）传感器的标定
标定指利用标准设备产生已知非电量（标准量），或用基准量来确定传感器输出电量与非电输入量之间关系的过程。工程测试中传感器的标定在与其使用条件相似的环境状态下进行，并将传感器所配用的滤波器、放大器及电缆等和传感器连接后一起标定。标定时应按传感器规定的安装条件进行安装。
1）标定系统的组成
一般由被测非电量的标准发生器，被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等组成。
2）静态标定
指输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线，标定方程和标定常熟，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标。静态标定用于检测传感器（或系统）的静态特性指标。对标定设备的要求是：具有足够的精度，至少应比被标定的传感器及其系统高一个精度等级，且符合国家计量量值传递的规定，或经计量部门检查合格；量程范围应与被标定的传感器的量程相适应；性能稳定可靠；使用方便，能使用多种环境。
3）动态标定
用于确定动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率不同肤质的正弦信号输入传感器，测量其输出）、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围、幅值误差、时间常数、阻尼比、固有频率等。
（2）传感器的校准
传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容是基本相同的。
总之，由于传感器种类很多，一种传感器可以测量几种不同的被测量，而同一种被测量可以用几种不同类型的传感器来测量。再加上，被测量要求千变万化，为此选用的传感器也不同。传感器的工作原理与测量电路密切相关，为了能够正确选用传感器，必须熟悉常用传感器的工作原理、结构性能、测量电路和使用性能等方面的内容。
