電容式傳感器原理和應(yīng)用ppt課件

1、.,第4章 電容式傳感器,4.1 工作原理和結(jié)構(gòu),1,4.2 靈敏度及非線(xiàn)性,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,3,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,4,2,4.5 電容式傳感器的應(yīng)用,5,.,概述,電容式傳感器是實(shí)現(xiàn)非電量到電容量轉(zhuǎn)化的一類(lèi)傳感器。 可以應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等參數(shù)的測(cè)量中。 由于電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高，且可非接觸測(cè)量，因此很有應(yīng)用前景。,.,4.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為： 式中： 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)， ，其中0為真空介電常數(shù)，r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； A兩平

2、行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離。 保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類(lèi)型。 在實(shí)際使用時(shí)，電容式傳感器常以改變改變平行板間距d來(lái)進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)檫@樣獲得的測(cè)量靈敏度高于改變其他參數(shù)的電容傳感器的靈敏度。 改變平行板間距d的傳感器可以測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的位移，而改變面積A的傳感器只適用于測(cè)量厘米數(shù)量級(jí)的位移。,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),4.1.1 變極距型電容傳感器 下圖為變極距型電容式傳感器的原理圖。當(dāng)傳感

3、器的r和A為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，其初始電容量 為：,圖4-1 變極距型電容傳感器原理圖,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),若電容器極板間距離由初始值d0縮小d，電容量增大C，則有 由式(4-3)知傳感器的輸出特性C =f(d)不是線(xiàn)性關(guān)系，而是如圖4-2所示的曲線(xiàn)關(guān)系。 在式(4-3)中，當(dāng) 時(shí)， ，則上式可簡(jiǎn)化為： 此時(shí)C與d呈近似線(xiàn)性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線(xiàn)性輸出。,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),由式(4-4)還可以看出，在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的 d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短

4、路。,圖4-2 電容量與極板間距離的關(guān)系,.,為防止擊穿或短路，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)傳感器的輸出特性的線(xiàn)性度得到改善。 一般變極距型電容式傳感器的起始電容在20 30 pF之間，極板間距離在25200m的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),.,4.1.2 變面積型電容式傳感器 上圖是變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋

5、面積S改變，從而改變電容量。,圖4-3 變面積型電容傳感器原理圖,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板延長(zhǎng)度a方向平移x時(shí)，可得： 式中 為初始電容。電容相對(duì)變化量為 很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x是線(xiàn)性關(guān)系，因而其量程不受線(xiàn)性范圍的限制，適合于測(cè)量較大的直線(xiàn)位移和角位移。它的靈敏度為：,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),下圖是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。 當(dāng)=0時(shí)，則,圖4-4 電容式角位移傳感器原理圖,.,4.1電容式傳感器的工

6、作原理和結(jié)構(gòu),式中： r 介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)； d0 兩極板間距離； A0 兩極板間初始覆蓋面積。 當(dāng)0時(shí)，則 從上式可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線(xiàn)性關(guān)系。,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),4.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器 下圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。,圖4-5 電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h，變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，則此時(shí)變換器電容值為： 式中： 空氣介電常數(shù)； C0 由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即： 可見(jiàn)此變換器的電容增量正比于被測(cè)液

7、位高度h。,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來(lái)測(cè)量紙張，絕緣薄膜等的厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。 下圖是一種常用的結(jié)構(gòu)型式。圖中兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。,圖4-6 變介質(zhì)型電容式傳感器,.,4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu),傳感器總電容量C為： 式中： L0，b0極板長(zhǎng)度和寬度； L 第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度。 若電介質(zhì) ，當(dāng)L=0時(shí)，傳感器初始電容： 當(dāng)介質(zhì) 進(jìn)入極間L后，引起電容的相對(duì)變化為： 可見(jiàn)電容的變化與電

8、介質(zhì) 的移動(dòng)量L呈線(xiàn)性關(guān)系。,.,4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性,由以上分析可知，除變極距型電容傳感器外，其它幾種形式傳感器的輸入量與輸出電容量之間的關(guān)系均為線(xiàn)性的，故只討論變極距型平板電容傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性。 由式C=C0+C0d/d0可知，電容的相對(duì)變化量為: 當(dāng) 時(shí)，則上式可按級(jí)數(shù)展開(kāi)，故得,.,4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性,由上式可見(jiàn)，輸出電容的相對(duì)變化量C/C與輸入位移d之間呈非線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng) 時(shí)，可略去高次項(xiàng)，得到近似的線(xiàn)性： 電容傳感器的靈敏度為： 它說(shuō)明了單位輸入位移所引起輸出電容相對(duì)變化的大小與d0呈反比關(guān)系。,.,4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性,如果考

9、慮級(jí)數(shù)展開(kāi)式中的線(xiàn)性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則： 由此可得出傳感器的相對(duì)非線(xiàn)性誤差為： 由以上三個(gè)式可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線(xiàn)性誤差卻隨著d0的減小而增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線(xiàn)性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。,.,4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性,下圖是變極距型差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 當(dāng)差動(dòng)式平板電容器動(dòng)極板位移d時(shí)，電容器C0的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d則,圖4-7 差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu),.,4.2 電容式傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性,在 時(shí)，則按級(jí)數(shù)展開(kāi)： 電容值總的變化量為： 電容值相對(duì)變化量為： 略去高次項(xiàng)，則：,.,4

10、.2 電容式傳感器的靈敏度及非線(xiàn)性,如果只考慮電容值相對(duì)變化量式中的線(xiàn)性項(xiàng)和三次項(xiàng)，則電容式傳感器的相對(duì)非線(xiàn)性誤差近似為 比較以上式子可見(jiàn)，電容傳感器做成差動(dòng)式之后，靈敏度提高一倍，而且非線(xiàn)性誤差大大降低了。,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,4.3.1 電容式傳感器的特點(diǎn) 1優(yōu)點(diǎn)： 溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器有銅損、磁游和渦流損耗等，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,高的精度，可以做

11、得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過(guò)載等；能測(cè)量超高溫和低壓差，也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器帶電極板間的靜電引力很小(約幾個(gè) ),需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫,.,茲的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)量高速變化的參數(shù)。 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng) 例如非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，

12、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(duì)測(cè)量的影響。,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,電容式傳感器除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，還因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(cè)極低的壓力、力和很小的加速度、位移等。 可以做得很靈敏，分辨力高，能敏感0.01m 甚至更小的位移。 由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)并接成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,2缺點(diǎn) 輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般只有幾個(gè)皮法到幾百皮法，使傳感器

13、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(shí)，輸出阻抗高達(dá) 。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作。,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,寄生電容影響大 電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其初始電容量都很小(幾pF到幾十pF)，而連接傳感器和電子線(xiàn)路的引線(xiàn)電纜電容(12m導(dǎo)線(xiàn)可達(dá)800pF)、電子線(xiàn)路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,4.3.2 應(yīng)用中存在的問(wèn)題 1電容式傳感

14、器的等效電路 上節(jié)對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時(shí)，其等效電路如下圖所示。,圖4-8 電容式傳感器的等效電路,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,圖中L包括引線(xiàn)電纜電感和電容式傳感器本身的電感； C0為傳感器本身的電容； Cp為引線(xiàn)電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之一； Rg為低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗； Rs為高濕、高溫、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電組它包含導(dǎo)線(xiàn)、

15、極板間和金屬支座等損耗電阻。,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,低頻時(shí)，傳感器電容的阻抗非常大，L和Rs的影響可忽略；等效電容Ce=C0+Cp；等效電阻ReRg 。低頻等效電路如下圖所示。 高頻時(shí)，電容的阻抗變小，L和Rs的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中Ce=C0+Cp，而ReRs。高頻等效電路如下圖所示。,圖4-9 低頻等效電路 圖4-10 高頻等效電路,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,根據(jù)高頻等效電路，由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而Rg 和Rs很小可以忽略，因此： 此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為 當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的

16、靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感(包括電纜電感)有關(guān)，且隨變化而變化。 在這種情況下，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,2邊緣效應(yīng) 以上分析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響。 實(shí)際上當(dāng)極板厚度h與極距d之比相對(duì)較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。這時(shí)對(duì)極板半徑為r的變極距型電容傳感器，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算： 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(xiàn)性。,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如下圖所示。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)

17、始終保持等電位，以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)的影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一薄層金屬作為極板。,圖4-11 帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理圖,.,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,3靜電引力 電容式傳感器兩極板間存在靜電場(chǎng)，因而有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差。 4溫度影響 環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對(duì)被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。 這種影響主要有兩個(gè)方面：,.

18、,4.3 特點(diǎn)及應(yīng)用中存在的問(wèn)題,（1）溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線(xiàn)脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。 在設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以滿(mǎn)足溫度誤差補(bǔ)償要求。 （2）溫度對(duì)介質(zhì)的影響 溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這樣微小的電容量還不能直接被目前的顯示儀表顯示，也很難被記錄儀接

19、受，不便于傳輸。 必須借助測(cè)量電路檢出這一微小電容增量，并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。 電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,4.4.1 調(diào)頻測(cè)量電路 調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測(cè)非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線(xiàn)性的，不易校正，因此加入鑒頻器，用此鑒頻器可調(diào)整地非線(xiàn)性特性去補(bǔ)償其他部分的非線(xiàn)性，并將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄

20、下來(lái)。 調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如下圖 所示，Cx為電容變換器。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為 式中： L0振蕩回路的電感； C 振蕩回路的總電容， 。其中，C1為振蕩回路固有電容；C2為傳感器引線(xiàn)分布電容；而 為傳感器的電容。,圖4-12 調(diào)頻式測(cè)量電路原理框圖,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)，C =0，則 ，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率 ： 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，C0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為： 調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度，可以測(cè)至0.01 m級(jí)位移變化量。信號(hào)輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收

21、以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,4.4.2 運(yùn)算放大器式電路 運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K非常大，而且輸入阻抗Zi很高。運(yùn)算放大器的特點(diǎn)可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。下圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖。,圖4-13 運(yùn)算放大器式電路原理圖,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,圖中Cx為電容式傳感器， 是交流電源電壓， 是輸出信號(hào)電壓，是虛地點(diǎn)。由運(yùn)算放大器工作原理可得： 如果傳感器是一只平板電容，則Cx =A/d，代入上式有： 上式說(shuō)明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d線(xiàn)性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線(xiàn)性問(wèn)題。,.,4.4 電容式傳感器的

22、測(cè)量電路,4.4.3 二極管雙T型交流電橋 二極管雙T型交流電橋又稱(chēng)為二極管T型網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對(duì)稱(chēng)方波，VD1、V為特性完全相同的兩個(gè)二極管， ，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1 = C2。,圖4-14 二極管雙T型交流電橋,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,電路工作原理如下： 當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管 導(dǎo)通、 截止，于是電容C1充電；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過(guò)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I1。 在負(fù)半周內(nèi)， 導(dǎo)通、 截止，則電容C2充電；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的

23、電流為I2。 根據(jù)上面所給的條件，電流I1= I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,若傳感器輸入不為0，則C1C2，那么I1I2，此時(shí)RL上必定有信號(hào)輸出，其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為: 式中f為電源頻率。 當(dāng)RL已知，上式中 （常數(shù)），則： 輸出電壓U0不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)，而且與T型網(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U0是電容C1和C2的函數(shù)。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為 1.3MHz,電源電壓Ui= 46 V時(shí),電容從-7+7pF變化，可以在1M負(fù)載上得到-

24、5+5 V的直流輸出電壓。 電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)Ui幅值較高，使二極管 工作在線(xiàn)性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線(xiàn)性誤差很小。 電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，其值為1100k。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1k的負(fù)載電阻上升時(shí)間為 20s左右，故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,4.4.4 脈沖寬度調(diào)制電路 下圖為一種差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平(U1)， 端為低電平(0)，則觸發(fā)器通過(guò)R1對(duì)C1充電；當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC1產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)

25、器翻轉(zhuǎn)，從而使Q端為低電平， 端為高電平(U1)。,圖4-15 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,此時(shí)，電容C1通過(guò)二極管D1迅速放電至零，而觸發(fā)器由 端經(jīng)R2向C2充電；當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器IC2輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過(guò)程。 可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。當(dāng)C1=C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如下圖 (a)所示，Q和 兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。當(dāng)C1C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如下圖(b)所示，Q、 兩端間的平均電壓（經(jīng)一個(gè)低通濾波器）為：,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,上式中

26、：T1和T2分別為 端和 端輸出方波脈沖的寬度，亦即C1和C2的充電時(shí)間。,（a） （b） 圖4-16 各點(diǎn)電壓波形圖,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,根據(jù)電路知識(shí)可求出 將這兩個(gè)式子代入上式，可得 當(dāng)該電路用于差動(dòng)式變極距型電容傳感器時(shí)，由上式有：,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,這種電路只采用直流電源，無(wú)需振蕩器，要求直流電源的電壓穩(wěn)定度較高，但比高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。 用于差動(dòng)式變面積型電容傳感器時(shí)有： 這種電路不需要載頻和附加解調(diào)線(xiàn)路，無(wú)波形和相移失真；輸出信號(hào)只需要通過(guò)低通濾波器引出；直流信號(hào)的極性取決于C1和C2；對(duì)變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線(xiàn)性輸出。

27、這種脈寬調(diào)制線(xiàn)路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和干擾大大減小。,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,4.5.5 變壓器電橋 如下圖所示，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。,圖4-17 變壓器電橋,.,4.4 電容式傳感器的測(cè)量電路,電橋的空載輸出電壓為： 對(duì)變極距型電容傳感器 ， ，代入上式得： 可見(jiàn)，對(duì)變極距型差動(dòng)電容傳感器的變壓器電橋，在負(fù)載阻抗極大時(shí)，其輸出特性呈線(xiàn)性。,.,4.5 電容式傳感器的應(yīng)用,電容式傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以不用有機(jī)材料和磁性材料構(gòu)成，所以它可以在溫度變化大、有各種輻射等惡劣環(huán)境下工作。 電容式傳感器可以制成非接觸式測(cè)量器，響應(yīng)時(shí)間短，適合于在線(xiàn)和動(dòng)態(tài)測(cè)量

28、。 電容式傳感器具有高靈敏度，且其極間的相互吸引力十分微小，從而保證了較高的測(cè)量精度。 近年來(lái)電容式傳感器被廣泛地應(yīng)用在厚度、位移、壓力、密度、物位等物理量的測(cè)量中。下面簡(jiǎn)單介紹幾種電容式傳感器的應(yīng)用。,.,4.5 電容式傳感器的應(yīng)用,4.5.1 數(shù)字濕度計(jì) 濕度的檢測(cè)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。濕度的測(cè)量一般用濕敏元件。 常用的濕敏元件有阻抗式濕敏元件和電容濕敏元件。前者的阻抗與濕度曲線(xiàn)呈現(xiàn)非線(xiàn)性；后者的電容與濕度曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性關(guān)系。 下面介紹MC-2型電容濕敏元件的應(yīng)用，其基本原理是相對(duì)濕度的變化影響到聚合物的介電常數(shù)，從而改變了傳感器的電容值。 傳感器測(cè)量電路包括自激多諧振蕩器、脈寬調(diào)制電路、頻率/電壓轉(zhuǎn)換器電路F/V和A/D轉(zhuǎn)換器。如下圖所示。,.,4.5 電容式傳感器的應(yīng)用,圖4-18 數(shù)字濕度計(jì)電路,.,4.5 電容式傳感器的應(yīng)用,4.5.2 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 下圖所示為頻率型差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器系統(tǒng)組成框圖。,（a） （b） 圖4-19 頻率型差動(dòng)式