壓電傳感器測量電路

壓電傳感器測量電路第一頁，共37頁。3.2.2測量電路1.電橋電路UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2第二頁，共37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，適合于高頻電源下工作。變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。Cr1Cr2U0U（d）第三頁，共37頁。圖3-12電橋測量電路Cr1Cr2USC放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放大器將信號放大后才能測量。由于電橋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，第四頁，共37頁。2.運(yùn)算放大器電路圖3-13運(yùn)算放大器測量電路CxC0-AUUSCIiIxICx為傳感器，C0為固定電容。當(dāng)運(yùn)算放大器輸入阻抗很高、增益很大時，可認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零，根據(jù)克?；舴蚨?，有：第五頁，共37頁。若傳感器是一平行板電容，則：代入（3-20）式得：可見運(yùn)算放大器的輸出電壓與動極板的板間距離δ成正比。運(yùn)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(yùn)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(shí)際上該測量電路仍然存在一定的非線性。第六頁，共37頁。3.二極管雙T形電路圖3-14二極管雙T形電路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時，二極管D1導(dǎo)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。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++第七頁，共37頁。(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1

向負(fù)載電阻RL供電，與此同時，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)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。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++第八頁，共37頁。根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流i2如下：在時,電流i2的平均值I2可寫成第九頁，共37頁。電容C1上的平均電流為:故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)RL已知時，為常數(shù)，設(shè)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(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2

的函數(shù)。

第十頁，共37頁。利用對傳感器電容的充放電使電路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(yīng)被測量變化的直流信號。C1、C2為差動式傳感器的兩個電容；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R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A14、差動脈寬調(diào)制電路第十一頁，共37頁。tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差動脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖第十二頁，共37頁。根據(jù)電路知識可知：UA、UB—A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為：第十三頁，共37頁。A、B兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點(diǎn)電壓平均值UA與UB之差設(shè)R1＝R2＝R，則

說明差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。第十四頁，共37頁。對于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(shè)電容器初始有效面積為S0，變化量為ΔS，則濾波器輸出為：第十五頁，共37頁?？梢姴顒用}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，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求；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也不高。第十六頁，共37頁。5、調(diào)頻電路振蕩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CxΔf振蕩器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鑒頻器第十七頁，共37頁。3.3電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)與應(yīng)用中存在的問題3.3.1電容傳感器的特點(diǎn)1．電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

（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(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)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。第十八頁，共37頁。（2）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可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(jìn)行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測量。第十九頁，共37頁。3．動態(tài)響應(yīng)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(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(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。第二十頁，共37頁。4．可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)

當(dāng)被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。

第二十一頁，共37頁。電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)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，分辨力非常高。第二十二頁，共37頁。2.電容式傳感器的缺點(diǎn)

(1)輸出阻抗高，負(fù)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(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達(dá)106～108Ω。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來不便。第二十三頁，共37頁。

容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻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(yuǎn)比低頻時復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。第二十四頁，共37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(l～2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。第二十五頁，共37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。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)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。

第二十六頁，共37頁。3.3.2設(shè)計(jì)與應(yīng)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開的。在設(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)等。第二十七頁，共37頁。1．絕緣材料的絕緣性能

溫度變化使傳感器內(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。第二十八頁，共37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(yīng)極為有利。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮。可在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護(hù)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)。第二十九頁，共37頁。

傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)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(yuǎn)高于塑料、有機(jī)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。第三十頁，共37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)（亦受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)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。此誤差雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償，但無法完全消除。第三十一頁，共37頁。

在可能的情況下,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(yīng)先進(jìn)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。第三十二頁，共37頁。

適當(dāng)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(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。電極應(yīng)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(yīng)2．消除和減小邊緣效應(yīng)第三十三頁，共37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