電容式傳感器-2

1、1 同學(xué)們好！同學(xué)們好！ 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 4.1傳感器的工作原理及類型傳感器的工作原理及類型 4.2電容傳感器的靈敏度及非線性電容傳感器的靈敏度及非線性 4.3電容傳感器的特性等效電路電容傳感器的特性等效電路 4.4電容傳感器的設(shè)計要點電容傳感器的設(shè)計要點 4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 4.6電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例 3 4.3 電容式傳感器的特點及等效電路電容式傳感器的特點及等效電路 4.3.1 電容傳感器的特點電容傳感器的特點 優(yōu)點優(yōu)點 缺點缺點 4 優(yōu)點：優(yōu)點： 溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)

2、性強 動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好 可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)點可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)點 5 1.溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 電容傳感器的電容值一般與電極材料無電容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，合理選擇材料和結(jié)構(gòu)數(shù)等機械特性考慮，合理選擇材料和結(jié)構(gòu) 尺寸即可，其他因素影響甚微。尺寸即可，其他因素影響甚微。 電阻式傳感器電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；有電阻，供電后產(chǎn)生熱量； 電感式傳感器電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等

3、，引存在銅損、渦流損耗等，引 起發(fā)熱產(chǎn)生零漂。起發(fā)熱產(chǎn)生零漂。 6 2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強 易制造、保證高的精度；易制造、保證高的精度； 能在高低溫、強磁場及輻射等條件工作；能在高低溫、強磁場及輻射等條件工作； 在高壓力、高沖擊、過載情況下都能工作；在高壓力、高沖擊、過載情況下都能工作； 體積可做得很小，滿足特殊要求測量。體積可做得很小，滿足特殊要求測量。 7 3.動態(tài)響應(yīng)好動態(tài)響應(yīng)好 動態(tài)響應(yīng)時間很短，其介質(zhì)損耗小可以用較高動態(tài)響應(yīng)時間很短，其介質(zhì)損耗小可以用較高 的頻率供電，故系統(tǒng)工作頻率高。的頻率供電，故系統(tǒng)工作頻率高。 測量振動、瞬時壓力。測量振動、瞬時壓力。 4.可

4、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) 采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效 應(yīng)，可以減小工件表面不平等測量的影響。應(yīng)，可以減小工件表面不平等測量的影響。 8 其他優(yōu)點：其他優(yōu)點： 其帶電極板間的靜電引力很小，所需其帶電極板間的靜電引力很小，所需 輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的 壓力、力和很小的加速度、位移等，可以壓力、力和很小的加速度、位移等，可以 做得很靈敏，分辨率高；做得很靈敏，分辨率高； 其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差分結(jié)構(gòu)其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差分結(jié)構(gòu) 并接成橋式時產(chǎn)生的零殘極

5、小，允許電路并接成橋式時產(chǎn)生的零殘極小，允許電路 進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏 度。度。 9 缺點：缺點： 輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 寄生電容影響大寄生電容影響大 輸出特性非線性輸出特性非線性 10 1.輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 由于電極的尺寸限制不宜做大，所以電容值由于電極的尺寸限制不宜做大，所以電容值 達到幾到幾百微法，所以輸出阻抗高，負(fù)載能達到幾到幾百微法，所以輸出阻抗高，負(fù)載能 力小，易受外界干擾而不穩(wěn)定。必須做好屏蔽力小，易受外界干擾而不穩(wěn)定。必須做好屏蔽 措施。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值措施

6、。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值 極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀 器性能。器性能。 采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但 高頻放大、傳輸遠比低頻復(fù)雜，且寄生電容影高頻放大、傳輸遠比低頻復(fù)雜，且寄生電容影 響大，不宜保證工作的穩(wěn)定性。響大，不宜保證工作的穩(wěn)定性。 11 2.寄生電流影響大寄生電流影響大 寄生電容：連接傳感器和電子線路的引線寄生電容：連接傳感器和電子線路的引線 電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極 板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容。板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容。

7、 降低了傳感器的靈敏度，而且由于其降低了傳感器的靈敏度，而且由于其隨機隨機 變化變化影響測量精度。影響測量精度。 采用屏蔽性好、自身分布電容小的高頻電采用屏蔽性好、自身分布電容小的高頻電 線作為引線，且引線粗而短，要保證儀器的線作為引線，且引線粗而短，要保證儀器的 雜散電容小而穩(wěn)定等等。雜散電容小而穩(wěn)定等等。 12 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變極距型電容傳感器的輸出特性是非線 性，雖可采用差分型改善，但不可能完全性，雖可采用差分型改善，但不可能完全 消除。只有忽略電場的邊緣效應(yīng)時，輸出消除。只有忽略電場的邊緣效應(yīng)時，輸出 特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)

8、生的附特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附 加電容量將于傳感器電容量直接疊加，使加電容量將于傳感器電容量直接疊加，使 輸出特性非線性。輸出特性非線性。 13 4.3 電容式傳感器的特點及等效電路電容式傳感器的特點及等效電路 4.3.2 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 如圖如圖4-4（a）平板電容器，研究從輸出端）平板電容器，研究從輸出端A、 B兩點來看等效電路。兩點來看等效電路。 如圖如圖4-4（b）所示，其中）所示，其中L為傳感器的電感；為傳感器的電感；R 為傳輸線的有功電阻，在集膚效應(yīng)（當(dāng)交變電流為傳輸線的有功電阻，在集膚效應(yīng)（當(dāng)交變電流 通過導(dǎo)體時，電流將集中在導(dǎo)體表面流通

9、）較小通過導(dǎo)體時，電流將集中在導(dǎo)體表面流通）較小 的情況下，的情況下， 即當(dāng)傳感器的激勵電壓頻率較低時，即當(dāng)傳感器的激勵電壓頻率較低時， 其值甚?。黄渲瞪跣。籆為傳感器的電容；為傳感器的電容；Cp為歸結(jié)為歸結(jié)A、B兩兩 端的并聯(lián)寄生電容；端的并聯(lián)寄生電容；Rp為極板間等效漏電電阻，為極板間等效漏電電阻， 選取保證足夠大。選取保證足夠大。 14 圖4-4 電容式傳感器的等效電路 15 從上述等效電路可知，從上述等效電路可知，在較低頻率下使用時在較低頻率下使用時 （激勵電路頻率）較低），（激勵電路頻率）較低），L及及R可以忽略不計，可以忽略不計， 而只考慮而只考慮Rp對傳感器的分路作用。對傳感器的

10、分路作用。當(dāng)使用頻率增當(dāng)使用頻率增 高時，高時，就應(yīng)考慮就應(yīng)考慮L及及R的影響，而且主要是的影響，而且主要是L的存的存 在使得在使得AB兩端的等效電容兩端的等效電容Ce隨頻率增加而增加，隨頻率增加而增加， 由下式可求的由下式可求的Ce： LC C C e 2 1 同時傳感器的靈敏度同時傳感器的靈敏度ke也將隨激勵源頻率改變也將隨激勵源頻率改變 d C k e e LC C C Cj Lj Cj e e 2 1 11 16 Ce電容傳感器等效電容由于輸入被電容傳感器等效電容由于輸入被 測量測量dd的改變而產(chǎn)生的增量的改變而產(chǎn)生的增量 22 )1 (LC C Ce 即有即有 22 )1 (LC k

11、 ke 在較高激勵頻率下使用這種傳感器時，每當(dāng)改在較高激勵頻率下使用這種傳感器時，每當(dāng)改 變激勵頻率或者更換傳輸電線時都必須對測量系變激勵頻率或者更換傳輸電線時都必須對測量系 統(tǒng)重新進行標(biāo)定。統(tǒng)重新進行標(biāo)定。 17 4.4 電容傳感器的設(shè)計要點電容傳感器的設(shè)計要點 電容式傳感器所具有的高靈敏度、高電容式傳感器所具有的高靈敏度、高 精度等獨特的特點是與其精度等獨特的特點是與其正確設(shè)計、正確正確設(shè)計、正確 選材以及精細加工工藝選材以及精細加工工藝分不開。分不開。 在設(shè)計傳感器的過程中，在所要求的在設(shè)計傳感器的過程中，在所要求的 量程、溫度和壓力范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具量程、溫度和壓力范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它

12、具 有低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠有低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠 和好的頻率響應(yīng)等，但一般不易達到理想和好的頻率響應(yīng)等，但一般不易達到理想 程度，因此經(jīng)常采用折中方案。程度，因此經(jīng)常采用折中方案。 18 4.4.1保證絕緣材料的絕緣性能保證絕緣材料的絕緣性能 減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤 差，以保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變差，以保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變 化使傳感器內(nèi)個零件的幾何尺寸的相互位化使傳感器內(nèi)個零件的幾何尺寸的相互位 置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而 改變電容傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差

13、。改變電容傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差。 濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電 阻值。必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方阻值。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料具有面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有 高的絕緣性能。高的絕緣性能。 19 1、傳感器的金屬電極的材料選溫度系數(shù)低的鐵鎳合金傳感器的金屬電極的材料選溫度系數(shù)低的鐵鎳合金 為好（難加工）；或在陶瓷或石英上噴鍍合金或銀的為好（難加工）；或在陶瓷或石英上噴鍍合金或銀的 工藝（薄工藝（薄)，可減少邊緣效應(yīng)；，可減少邊緣效應(yīng)； 2、密封或電極表面鍍上極薄的惰性金屬層。（防塵、密封或電

14、極表面鍍上極薄的惰性金屬層。（防塵、 防溫、防濕、防腐蝕等）；防溫、防濕、防腐蝕等）； 3、電極的支架除要有一定的機械強度外還要有穩(wěn)定的電極的支架除要有一定的機械強度外還要有穩(wěn)定的 性能（溫度系數(shù)小和幾何尺寸、穩(wěn)定性好、并具有高性能（溫度系數(shù)小和幾何尺寸、穩(wěn)定性好、并具有高 的絕緣電阻、低的吸潮和高的表面電阻的材料做支架；的絕緣電阻、低的吸潮和高的表面電阻的材料做支架； 4、盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近視為盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近視為 零的電介質(zhì)（也不受到濕度變化的影響）作為傳感器零的電介質(zhì)（也不受到濕度變化的影響）作為傳感器 的電介質(zhì)。的電介質(zhì)。 差分對稱結(jié)構(gòu) 2

15、0 4.4.2消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng) 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且 產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。 適當(dāng)減小極間距，使適當(dāng)減小極間距，使極徑與間距比更大極徑與間距比更大，可減，可減 少邊緣效應(yīng)，但少邊緣效應(yīng)，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范 圍圍。也可以采用上述電極放得極薄使與間距相比。也可以采用上述電極放得極薄使與間距相比 很小的方法來減少邊緣電場的影響。除此之外，很小的方法來減少邊緣電場的影響。除此之外， 可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)，如圖可在結(jié)構(gòu)上增

16、設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)，如圖 4-5（a）、（）、（b）所示。）所示。等位環(huán)等位環(huán)3與電極與電極2等電等電 位，這樣就能使電極位，這樣就能使電極2的邊緣電子線平直，兩電的邊緣電子線平直，兩電 極間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在極間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在 等位環(huán)等位環(huán)3的外周，不影響工作。的外周，不影響工作。 21 圖圖4-5 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 22 4.4.3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響 寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)，影響傳感器的靈寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)，影響傳感器的靈 敏度，而它的變化則為虛

17、假信號影響儀器的精度，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。必須消除和減小它。 23 1、增加原始電容值可減小寄生電容的影響：、增加原始電容值可減小寄生電容的影響： 采用采用減小極片或極筒間的間距，增加工作面積或工減小極片或極筒間的間距，增加工作面積或工 作長度作長度來增加原始電容值。但這受到加工及裝配工藝、精來增加原始電容值。但這受到加工及裝配工藝、精 度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。 2、注意傳感器的接地和屏蔽：、注意傳感器的接地和屏蔽： 圖圖4-6為采用接地屏蔽的圓筒電容傳感器。圖中為采用接地屏蔽的圓筒電容傳感器。圖中 可

18、動極、筒與連桿固定在一起隨被測值位移?？蓜訕O、筒與連桿固定在一起隨被測值位移。可動極筒與可動極筒與 傳感器的屏蔽殼同為地，因此當(dāng)可動極筒移動時，固定極傳感器的屏蔽殼同為地，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保持不變。筒與屏蔽殼之間的電容值保持不變。 電纜引線也必須屏蔽到傳感器屏蔽殼內(nèi)。為了減電纜引線也必須屏蔽到傳感器屏蔽殼內(nèi)。為了減 少電纜電容的影響，應(yīng)盡量使用少電纜電容的影響，應(yīng)盡量使用短而粗短而粗的電纜線，縮短傳的電纜線，縮短傳 感器至電子線路前置級的距離。感器至電子線路前置級的距離。 24 圖圖4-6 接地屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖接地屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖 25

19、3、將傳感器與電子線路的前置級、將傳感器與電子線路的前置級(集成化集成化)裝在一個殼體內(nèi)，裝在一個殼體內(nèi)， 省去傳感器至前置級的電纜。省去傳感器至前置級的電纜。寄生電容大為減小而且易寄生電容大為減小而且易 固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。（固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。（高溫、環(huán)境差）高溫、環(huán)境差） 4、采用、采用“驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)技術(shù)(也稱也稱“雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸”技技 術(shù)術(shù))： 圖圖4-7所示，傳感器與電子線路放置級間的引線為雙屏所示，傳感器與電子線路放置級間的引線為雙屏 蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸導(dǎo)線（即電纜芯線）通蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸導(dǎo)線（即電纜芯線）通 過過1：1

20、放大器成為等電位，放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)蔽層之從而消除了芯線與內(nèi)蔽層之 間的電容。間的電容。由于屏蔽層上有隨傳感器輸出信號變化而變由于屏蔽層上有隨傳感器輸出信號變化而變 化的電壓，因此成為化的電壓，因此成為“驅(qū)動電路驅(qū)動電路”采用這種技術(shù)可使電采用這種技術(shù)可使電 纜線長達纜線長達10m之遠也不影響儀器性能。之遠也不影響儀器性能。外屏蔽層接大地外屏蔽層接大地 或接儀器地，用來防止外電場的干擾?；蚪觾x器地，用來防止外電場的干擾。 26 圖圖4-7 “驅(qū)動電纜驅(qū)動電纜”技術(shù)電原理圖技術(shù)電原理圖 27 5、采用運算放大器法：采用運算放大器法： 圖圖4-8所示利用放大器的所示利用放大器的虛

21、地虛地來減小電纜電容來減小電纜電容Cp影響的影響的 電原理圖。圖中，電容傳感器的一個電極經(jīng)電纜芯線接電原理圖。圖中，電容傳感器的一個電極經(jīng)電纜芯線接 運算放大器的虛地點，電纜的屏蔽層接儀器地，這時與運算放大器的虛地點，電纜的屏蔽層接儀器地，這時與 傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/（1+K），），K為為 開環(huán)放大倍數(shù)，開環(huán)放大倍數(shù)，因而減小了電纜電容的影響因而減小了電纜電容的影響。外界干擾外界干擾 因屏蔽層接儀器地，對芯線不起作用。傳感器的另一電因屏蔽層接儀器地，對芯線不起作用。傳感器的另一電 極接大地，用來防止外電場的干擾。極接大地，用來防止外電場的干擾。

22、若采用雙屏蔽層電若采用雙屏蔽層電 纜，外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。纜，外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。 28 圖圖4-8 運算放大器法電原理圖運算放大器法電原理圖 29 6、整體屏蔽法：、整體屏蔽法： 將電容傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路，傳輸電纜等用同一屏將電容傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路，傳輸電纜等用同一屏 蔽殼屏蔽起來，蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點來消除寄生電容的影響和防正確選取接地點來消除寄生電容的影響和防 止外界的干擾。止外界的干擾。圖圖4-9（a）為整體屏蔽法的應(yīng)用。接地點選）為整體屏蔽法的應(yīng)用。接地點選 在電橋兩電阻橋臂中間，使電纜電容并在放大器的輸入端，在電橋兩電阻橋臂中間，使電纜電

23、容并在放大器的輸入端， 只影響放大器的輸入阻抗而不影響儀器的正常工作只影響放大器的輸入阻抗而不影響儀器的正常工作，但結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu) 較為復(fù)雜。當(dāng)采用差分電容傳感器、緊耦合變壓器供作電源較為復(fù)雜。當(dāng)采用差分電容傳感器、緊耦合變壓器供作電源 并為橋臂，雙屏蔽電纜作為引線時（見圖并為橋臂，雙屏蔽電纜作為引線時（見圖4-9（b），電纜），電纜 線則可長達線則可長達10m以上仍能工作。圖中外屏蔽層接地，內(nèi)屏蔽以上仍能工作。圖中外屏蔽層接地，內(nèi)屏蔽 層接變壓器二次側(cè)（副邊）、中間抽頭，層接變壓器二次側(cè)（副邊）、中間抽頭，使芯線與內(nèi)屏蔽層使芯線與內(nèi)屏蔽層 間的電容和內(nèi)外屏蔽層電容相串聯(lián)后影響傳感器，因此大大間

24、的電容和內(nèi)外屏蔽層電容相串聯(lián)后影響傳感器，因此大大 減小了電纜電容的影響。減小了電纜電容的影響。 30 圖4-9 兩個整體屏蔽法例子 31 4.4.4 防止和減小外界干擾防止和減小外界干擾 屏蔽和接地。屏蔽和接地。 增加原始電容值以降低容抗。增加原始電容值以降低容抗。 導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠，以減小導(dǎo)線間分布電容的導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠，以減小導(dǎo)線間分布電容的 靜電感應(yīng)。導(dǎo)線要盡可能短，最好成直角排列，靜電感應(yīng)。導(dǎo)線要盡可能短，最好成直角排列， 必須平行排列時可采用同軸屏蔽線。必須平行排列時可采用同軸屏蔽線。 盡可能一點接地，避免多點按地。地線要用粗的盡可能一點接地，避免多點按地。地線要用粗的 良導(dǎo)體

25、或?qū)捰∷⒕€。良導(dǎo)體或?qū)捰∷⒕€。 盡量采用差動式電容傳感電路，可減小非線性誤盡量采用差動式電容傳感電路，可減小非線性誤 差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和 干擾。干擾。 32 4.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 電容式傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)電容式傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)C0，從而使信號，從而使信號 能傳輸、放大、運算、處理、指示、記錄、控制，得到能傳輸、放大、運算、處理、指示、記錄、控制，得到 所需的測量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作。所需的測量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作。 同時，還根據(jù)需要將電路參數(shù)同時，還根據(jù)需要將電路參數(shù)C進

26、一步轉(zhuǎn)換成進一步轉(zhuǎn)換成電壓、電電壓、電 流、頻率等電量參數(shù)。流、頻率等電量參數(shù)。 目前這樣的轉(zhuǎn)換電路種類很多，一般歸結(jié)為兩大類型目前這樣的轉(zhuǎn)換電路種類很多，一般歸結(jié)為兩大類型 1、調(diào)制型調(diào)制型 2、脈沖型脈沖型(或稱為電容充放電器或稱為電容充放電器) 33 4.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 4.5.1 調(diào)制型電路調(diào)制型電路 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)幅電路調(diào)幅電路 1交流激勵法交流激勵法 2. 交流電橋電路交流電橋電路 34 調(diào)頻測量電路是把電容式傳感器的電容器作為振調(diào)頻測量電路是把電容式傳感器的電容器作為振 蕩器諧振回路的一部分，與一個電感元件配合成一蕩器諧振回路的一部分，與一

27、個電感元件配合成一 個個振蕩器諧振電路振蕩器諧振電路。當(dāng)電容傳感器工作時，電容量。當(dāng)電容傳感器工作時，電容量 發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再通發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再通 過鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換成振幅的變化，經(jīng)放過鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換成振幅的變化，經(jīng)放 大器放大后進行顯示，這種方法叫調(diào)頻法。大器放大后進行顯示，這種方法叫調(diào)頻法。 35 c CCCC 01 振蕩回路固有電容振蕩回路固有電容 引線分布電容引線分布電容 傳感器電容傳感器電容 調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由 下式?jīng)Q定：下式?jīng)Q定： 調(diào)頻振蕩器的固有頻率：調(diào)頻振蕩器的固有頻率： 傳感器工作

28、時，傳感器工作時，C變化，相應(yīng)變化，相應(yīng) 的頻率：的頻率： 振蕩器輸出是一振蕩器輸出是一 個受被測信號調(diào)個受被測信號調(diào) 制的調(diào)制波，其制的調(diào)制波，其 由下式?jīng)Q定：由下式?jīng)Q定： L)CCC( f c 01 0 2 1 p LC f p2 1 () 2 1 01 0 LCCCC fff c p m 36 配有這種電路的系統(tǒng)，在其電路輸出端取得的是配有這種電路的系統(tǒng)，在其電路輸出端取得的是 具有調(diào)幅波的電壓信號，其幅值近似地正比于被測具有調(diào)幅波的電壓信號，其幅值近似地正比于被測 信號。信號。 1、交流激勵法、交流激勵法 37 次端的等效電路如圖次端的等效電路如圖4-11（b），其中），其中E2為二次

29、側(cè)為二次側(cè) 感應(yīng)電動勢：感應(yīng)電動勢： M耦合電路的互感系數(shù)耦合電路的互感系數(shù) 振蕩源的頻率振蕩源的頻率 IMjE 圖中圖中L為變壓器二次線圈的電感值；為變壓器二次線圈的電感值；R為變壓器二次線為變壓器二次線 圈的直流電阻值；圈的直流電阻值；Cx為電容傳感器的電容值為電容傳感器的電容值 38 即即 2 1 EIdt C RI dt dI L x 由上式可得由上式可得uc，其幅值的模，其幅值的模Uc為為 2 2 2 Eu dt du RC dt ud LC c c x c x 22222 2 )1 ( xx CRLC E Uc 39 如果傳感器初始電容值為如果傳感器初始電容值為C0，電感電容回路的

30、初始，電感電容回路的初始 諧振頻率為諧振頻率為 則有：則有： R L Q LC f 0 0 00 , 1 2 p且取 將將0、Q及及K值代入上頁式中：值代入上頁式中： 2 0 2 2 2 2 0 2 1 1 11 Q Q K 2 EQKuc 40 圖圖4-12中的曲線中的曲線1作為此回路的諧振曲線。若激勵源的頻作為此回路的諧振曲線。若激勵源的頻 率為率為f，則可確定其工作在，則可確定其工作在A點上。當(dāng)傳感器工作時，引起點上。當(dāng)傳感器工作時，引起 電容值改變，從而將使諧振曲線左右移動，電容值改變，從而將使諧振曲線左右移動，工作點也在同工作點也在同 一頻率一頻率f的縱坐標(biāo)直線上下移動（如的縱坐標(biāo)直

31、線上下移動（如B、C點），點），可見最終在可見最終在 電容傳感器的電壓降將發(fā)生變化。因此，電路輸出的電信電容傳感器的電壓降將發(fā)生變化。因此，電路輸出的電信 號是與激勵源同頻率，幅值則隨被測量的大小而改變的調(diào)號是與激勵源同頻率，幅值則隨被測量的大小而改變的調(diào) 幅波。幅波。 圖4-12 諧振曲線圖 41 將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂或兩個臂，將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂或兩個臂， 另兩個臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變另兩個臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變 壓器的兩個次級線圈。如圖壓器的兩個次級線圈。如圖4-13所示：所示： 圖中圖中U為電橋為電橋 電源電壓，電源電壓，U0 為

32、電橋輸出電為電橋輸出電 壓壓 圖中圖中Cx是單極式電容傳感器的電容，是單極式電容傳感器的電容，C0是與它匹配的固是與它匹配的固 定電容，其值與傳感器初始電容相同。定電容，其值與傳感器初始電容相同。Cx1、Cx2為差分為差分 式傳感器的兩個電容。式傳感器的兩個電容。U是電橋電源電壓，是電橋電源電壓，U0是電橋輸是電橋輸 出電壓，出電壓，E為變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動勢。測量前為變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動勢。測量前Cx1=Cx2 或或Cx=C0，電橋平衡、輸出電壓，電橋平衡、輸出電壓U0=0。測量時被測量變。測量時被測量變 化使電容值隨之改變電橋失衡，其不平衡輸出電壓幅值化使電容值隨之改變電橋失衡，其不平衡輸

33、出電壓幅值 與被測量變化有關(guān)因此通過電橋電路將電容值變化轉(zhuǎn)換與被測量變化有關(guān)因此通過電橋電路將電容值變化轉(zhuǎn)換 成電量變化。成電量變化。 42 圖4-13 電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式 43 從電橋靈敏度考慮，圖從電橋靈敏度考慮，圖4-13（a）-（f），以（），以（f）形式為）形式為 最高，（最高，（d）次之。在設(shè)計和選擇電橋形式時：）次之。在設(shè)計和選擇電橋形式時： 1、靈敏度考慮靈敏度考慮 2、輸出電壓是否穩(wěn)定、輸出電壓是否穩(wěn)定 3、輸出電壓與電源電壓間的相移大小、輸出電壓與電源電壓間的相移大小 4、電源與元件所允許的功率以及結(jié)構(gòu)上是否容易實現(xiàn)、電源與元件所允許的功率以及結(jié)構(gòu)上是否容易

34、實現(xiàn) 5、實際電橋電路中附加零點平衡調(diào)節(jié)，靈敏度調(diào)節(jié)等環(huán)、實際電橋電路中附加零點平衡調(diào)節(jié)，靈敏度調(diào)節(jié)等環(huán) 節(jié)。節(jié)。 圖中圖中U為電橋為電橋 電源電壓，電源電壓，U0 為電橋輸出電為電橋輸出電 壓壓 44 圖圖4-13（g）形式的電橋（緊耦合電臂電橋）具有）形式的電橋（緊耦合電臂電橋）具有 較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小， 大大簡化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻大大簡化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻 工作。工作。 圖中圖中U為電橋為電橋 電源電壓，電源電壓，U0 為電橋輸出電為電橋輸出電 壓壓 圖圖4-13（h）形式電橋）形式電橋（變壓

35、器式電橋），使用元件少，（變壓器式電橋），使用元件少， 橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。該電橋兩臂是電源該電橋兩臂是電源 變壓器二次線圈。設(shè)感應(yīng)電動勢為變壓器二次線圈。設(shè)感應(yīng)電動勢為E，另一兩臂為傳感，另一兩臂為傳感 器的兩個電容，如果電橋所接的放大器的輸入阻抗即器的兩個電容，如果電橋所接的放大器的輸入阻抗即 本電橋的負(fù)載阻抗本電橋的負(fù)載阻抗RL，則電橋輸出為：，則電橋輸出為： 2 21 21 0 )(1 )( RE jCCR jCC U xxL xx 45 圖中圖中U為電橋為電橋 電源電壓，電源電壓，U0 為電橋輸出電為電橋輸出電 壓壓 RL時時： E CC

36、CC U xx xx 21 21 0 )( 由上式可見，差分式電容傳感器接入變壓器式電由上式可見，差分式電容傳感器接入變壓器式電 橋中，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時，對任何類型的橋中，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時，對任何類型的 電容式傳感器，電容式傳感器，電橋的輸出電壓與輸入量均成線電橋的輸出電壓與輸入量均成線 性關(guān)系性關(guān)系。 因此要求因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn) 頻等措施；傳感器必須工作在平衡位置附近，否頻等措施；傳感器必須工作在平衡位置附近，否 則電橋非線性將增大；接有電容傳感器的交流電則電橋非線性將增大；接有電容傳感器的交流電 橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值

37、又小，所以必須橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須 后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。 46 4.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 4.5.2 脈沖型電路脈沖型電路 脈沖型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種脈沖型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種 性能較好，較常用的電路為性能較好，較常用的電路為 雙雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)型充放電網(wǎng)絡(luò) 脈沖調(diào)寬型電路脈沖調(diào)寬型電路 47 圖中圖中U為電橋為電橋 電源電壓，電源電壓，U0 為電橋輸出電為電橋輸出電 壓壓 圖圖4-14為雙為雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖中型充放電網(wǎng)絡(luò)原理圖

38、。圖中u為一對稱方波為一對稱方波 的高頻電源，的高頻電源，C1和和C2為差分電容式傳感器的電容。對于為差分電容式傳感器的電容。對于 單極式電容傳感器可以其中之一為固定電容，另一個為單極式電容傳感器可以其中之一為固定電容，另一個為 傳感器電容。傳感器電容。RL為負(fù)載電阻，為負(fù)載電阻，VD1、VD2為兩個理想二極為兩個理想二極 管（導(dǎo)通管（導(dǎo)通R=0，截至，截至R=），R1、R2為固定電阻。為固定電阻。 48 圖4-14 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò) 49 50 圖4-15 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)等效電路 51 在負(fù)半周時，二極管在負(fù)半周時，二極管V VD D2 2導(dǎo)通、 導(dǎo)通、V VD D1 1截止，電容 截止，

39、電容C C2 2 很快被充電至電壓很快被充電至電壓U U；電源經(jīng)電阻；電源經(jīng)電阻R R2 2以以i i1 1 向負(fù)載電向負(fù)載電 阻阻R RL L供電，與此同時，電容供電，與此同時，電容C C1 1經(jīng)電阻經(jīng)電阻R R1 1、負(fù)載電、負(fù)載電 阻阻R RL L 放電，流過放電，流過R RL L 的放電電流為的放電電流為i i2 2 。流過。流過R RL L的總的總 電流電流i iL L 為為i i1 1 和和i i2 2 的代數(shù)和，的代數(shù)和，。 52 因為因為VD1和和VD2的特性相同，且的特性相同，且R1R2;當(dāng)當(dāng)C1=C2時時, 流過流過RL的電流的電流IL和和IL的平均值大小相等，方向相的平均值大小相等，方向相 反，在一周內(nèi)流過反，在一周內(nèi)流過RL的平均電流為零，的平均電流為零，RL上沒有上沒有 電壓輸出電壓輸出。當(dāng)。當(dāng)C1或或C2變化時，在變化時，在RL上產(chǎn)生的平均上產(chǎn)生的平均 電流不再為零，電流不再為零，因而有信號輸出因而有信號輸出。 此時的輸出電壓：此時的輸出電壓： )( )( )2( 21 2 CCfUR RR RRR U L L L o 53 當(dāng)當(dāng)R1=R2=R，RL已知時：已知時： )( 21 CCfUKU o L L L R RR RRR K 2 )( )