傳感器技術(shù)-32電容式傳感器的測量電路

1、3.2 電容式傳感器的測量(cling)電路3.2.1 電容(dinrng)傳感器的等效電路圖3-9 電容傳感器等效電路RP（a）CRLC（b）共五十六頁3.2.2 測量(cling)電路 1. 電橋(din qio)電路 UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2共五十六頁另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(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，適合于高頻電源(dinyun)下工作。Cr1Cr2U0U（d）變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前(mqin)較多采用。共五十六頁Cr1Cr2USC圖3-12 電橋測量電路放

2、大振蕩器相敏檢波濾波器在要求精度很高的場合，可采用自動平衡電橋；傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗(sh r z kn)放大器將信號放大后才能測量。 由于電橋(din qio)輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，共五十六頁2. 運算(yn sun)放大器電路 圖3-13 運算放大器測量電路CxC0-AUUSCIiIxICx為傳感器，C0為固定電容。當運算放大器輸入(shr)阻抗很高、增益很大時，可認為運算放大器輸入(shr)電流為零，根據(jù)克?；舴蚨?，有：共五十

3、六頁如果傳感器是一只平行(pngxng)板電容，則：代入（3-20）式得：可見運算放大器的輸出(shch)電壓與動極板的板間距離成正比。運算放大器電路解決了單個變極距型電容傳感器的非線性問題。 上式是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。共五十六頁3. 二極管雙T形電路(dinl)圖3-14 二極管雙T形電路(dinl)(a)C2C1UERLR1R2i1i2+若將二極管理想化，則正半周時，二極管D1導通、D2截止，電容C1被以極短的時間充電至UE ，電容C2的電壓初始值為 UE ，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過

4、RL 的放電電流為i2，流過RL 的總電流iL為i1 和i2的代數(shù)和。 0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+共五十六頁(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負半周時，二極管D2導通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻(dinz)R2以i1 向負載電阻RL供電，與此同時，電容C1經(jīng)電阻R1、負載電阻RL 放電，流過RL 的放電電流為i2。流過RL的總電流iL為i1 和i2的代數(shù)和。 0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+共五十六頁根據(jù)一階電路時域分析(fnx)的三要素法，可直接得到電容C2的電流i 2如下：在 時,電流(dinli)i2的平均值

5、I2可寫成共五十六頁電容(dinrng)C1上的平均電流為: 故在負載RL上產(chǎn)生(chnshng)的電壓為： 當RL已知時， 為常數(shù)，設為K，則輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2 的函數(shù)。 共五十六頁利用對傳感器電容的充放電使電路(dinl)輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應被測量變化的直流信號。C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個(y )為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。圖3-16 差動脈沖調(diào)寬電路

6、R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A14、差動脈寬調(diào)制電路共五十六頁tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差動脈沖調(diào)寬電路(dinl)各點電壓波形圖共五十六頁根據(jù)電路知識(zh shi)可知： UA、UBA點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2 分別為C1和C2的充電(chng din)時間；U1觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為：共五十六頁A、B兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得(hud)，等于A、B兩點電壓平均值UA與U

7、B之差，設R1R2R，則 說明(shumng)差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。 共五十六頁對于(duy)差動式變極距型電容傳感器：對于差動式變面積型電容傳感器來說，設電容器初始有效面積為S0，變化(binhu)量為S，則濾波器輸出為：共五十六頁可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求(yoqi)，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求(yoqi)；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求(yoqi)也不高。共五十六頁5、調(diào)頻(dio pn)電路振蕩(zhnd

8、ng)回路固有電容傳感器電容引線分布電容圖3-18 調(diào)頻式測量電路原理框圖Cxf振蕩器uf限幅放大器uL鑒頻器共五十六頁3.3 電容式傳感器的特點及設計 與應用(yngyng)中存在的問題 3.3.1 電容(dinrng)傳感器的特點1電容式傳感器的優(yōu)點 （1）溫度穩(wěn)定性好 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，且空氣等介質(zhì)損耗很小，只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸其他因素(因本身發(fā)熱極小) 影響甚微。共五十六頁（2）結(jié)構(gòu)簡單，適應性強 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于(yy)制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應能力強，尤其可

9、以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。共五十六頁3動態(tài)響應好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（約10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別(tbi)適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。共五十六頁4可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應 當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電

10、容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件(gngjin)表面粗糙度等對測量的影響。 共五十六頁電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏(ln mn)，分辨力非常高。 共五十六頁2.電容式傳感器的缺點 (1)輸出阻抗高，負載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達106108。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)

11、定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施(cush)，從而給設計和使用帶來不便。共五十六頁 容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十M以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻(dinz)而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。 高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，且寄生電容影響(yngxing)加大，難以保證工作穩(wěn)定。共五十六頁(2)寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板(j bn)與其周圍導體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。共五十

12、六頁(3)輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他(qt)類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 共五十六頁3.3.2 設計與應用中存在的問題 電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點(yudin)是與其正確設計、選材以及精細的加工工藝分不開的。在設計傳感器的過程中，在所要求的量程、溫度和壓力等范圍內(nèi)，應盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應等。共五十六頁1絕緣材料的絕緣性能 溫度變化(binhu)使傳感器

13、內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電容量,產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。 因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差。 共五十六頁 電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應極為有利。 傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應加以密封；用以防塵、防潮(fngcho)?？稍陔姌O表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)。共五十六頁 傳感器內(nèi)，電極的支

14、架除要有一定的機械強度外還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠高于塑料(slio)、有機玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能，可以考慮選用。 共五十六頁 盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)（也不受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些(mu xi)液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當環(huán)境溫度、濕度變化時，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路加以補償，但無法完全消除。 共五十六頁

15、在可能(knng)的情況下,傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu),這樣可以通過某些類型的測量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。 選用50kHz至幾MHz作為電容傳感器的電源頻率，以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。 傳感器內(nèi)所有的零件應先進行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。殼體的剛性要好，以免安裝時變形。 共五十六頁 適當(shdng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。電極應做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。 +-圖3-19 邊緣效應2消除(xioch)和減小邊緣效應共

16、五十六頁 等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生(fshng)在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。 可在結(jié)構(gòu)上增設(zn sh)等位環(huán)來消除邊緣效應。等位環(huán)3+-圖3-20 帶有等位環(huán)的平板式電容器傳感器電極1電極2共五十六頁邊緣效應引起的非線性與變極距型電容式傳感器原理上的非線性恰好相反，在一定程度(chngd)上起了補償作用。共五十六頁 寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)(bnglin)，影響傳感器靈敏度，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。3消除(xioch)和減小寄生電容的影響共五十六頁（1）增加傳

17、感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驅(qū)動電纜(dinln)”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運算放大器法；（6）整體屏蔽法共五十六頁 （1）增加傳感器原始電容值 采用減小極片或極筒間的間距(jin j)(平板式間距為0.20.5mm，圓筒式間距為0.15mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，但受加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。一般電容值變化在 10-3103 pF范圍內(nèi)，相對值變化在 10-61范圍內(nèi)。 共五十六頁 （2）集成化 將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固

18、定不變，使儀器工作穩(wěn)定(wndng)。但這種傳感器因電子元件的特點而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。 共五十六頁 當電容式傳感器的電容值很小，而因某些(mu xi)原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。（3）“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸(chun sh)技術(shù)采用這種技術(shù)可使電纜線長達10m之遠也不影響儀器的性能。共五十六頁圖3-21 “驅(qū)動電纜(dinln)”技術(shù)1：1+測量電路外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器-傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線(即電纜芯線)通過增益為1的放大器成為等電位，從而(cng r)消除了芯線與內(nèi)屏

19、蔽層之間的電容。共五十六頁由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化(binhu)而變化(binhu)的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止(fngzh)外界電場的干擾。 當電容式傳感器的初始電容值很大(幾百F)時，只要選擇適當?shù)慕拥攸c仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達10m，儀器仍能正常工作。 共五十六頁內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負載、放大倍數(shù)(bish)為1(準確度要求達1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動電纜”技術(shù)對1:1放大器要求很高，電路復雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF

20、時，也能正常工作。 共五十六頁圖3-22 運算(yn sun)放大器式法-AuoCCx（4）運算(yn sun)放大器法共五十六頁 利用運算放大器的虛地減小引線電纜寄生電容CP。電容傳感器的一個(y )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,這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1A)，大大減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接儀器地，對芯線不起作用。共五十六頁 傳感器的另一電極接大地，用來(yn li)防止外電場的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。選擇足夠

21、大的A值可保證所需的測量精度。共五十六頁 將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(ddin)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。（5）整體(zhngt)屏蔽法共五十六頁C1和C2構(gòu)成差動電容傳感器，與平衡(pnghng)電阻Z1和Z2組成測量電橋，Cp1和Cp2為寄生電容 。C1C2CP1CP2Z1Z2-A圖3-23 交流電橋的整體(zhngt)屏蔽共五十六頁屏蔽層接地點選擇在兩平衡(pnghng)電阻阻抗臂Z1和Z2中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容Cp1和Cp2分別與Z1和Z2相并聯(lián)。如果Z1和Z2比Cp1和Cp2的容抗小得多，則寄生電容

22、Cp1和Cp2對電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。 共五十六頁最易滿足上述(shngsh)要求的是變壓器電橋。圖3-11 變壓器式交流電橋Cr1Cr2USCUZ1Z2共五十六頁Z1和Z2是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個電感線圈，流過Z1和Z2的電流大小基本相等但方向相反。因Z1和Z2在結(jié)構(gòu)上完全對稱，所以線圈中的合成磁通近于零， Z1和Z2僅為其繞組的銅電阻及漏感抗，它們都很小。結(jié)果寄生電容Cpl和Cp2對Z1和Z2的分路作用即可被削弱到很低的程度(chngd)而不致影響交流電橋的平衡。 共五十六頁還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點則選在差動式電容傳感器兩電容C1和C2之間。這樣進一步降低了外界(wiji)電磁場的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測量電路前置級，不影響電橋的平衡，因