傳感器技術(shù)-32電容式傳感器的測(cè)量電路

1、3.2 電容式傳感器的測(cè)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(yè)3.2.2 測(cè)量(cling)電路 1. 電橋(din qio)電路 UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2共五十六頁(yè)另兩個(gè)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(jiǎn)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(yè)Cr1Cr2USC圖3-12 電橋測(cè)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(chǎng)合，可采用自動(dòng)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(hào)放大后才能測(cè)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(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，共五十六頁(yè)2. 運(yùn)算(yn sun)放大器電路 圖3-13 運(yùn)算放大器測(cè)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(shr)阻抗很高、增益很大時(shí)，可認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入(shr)電流為零，根據(jù)克?；舴蚨?，有：共五十

3、六頁(yè)如果傳感器是一只平行(pngxng)板電容，則：代入（3-20）式得：可見(jiàn)運(yùn)算放大器的輸出(shch)電壓與動(dòng)極板的板間距離成正比。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題。 上式是在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無(wú)限大的條件下得出的，實(shí)際上該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性。共五十六頁(yè)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(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時(shí)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(guò)

4、RL 的放電電流為i2，流過(guò)RL 的總電流iL為i1 和i2的代數(shù)和。 0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+共五十六頁(yè)(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，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(dinz)R2以i1 向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL 放電，流過(guò)RL 的放電電流為i2。流過(guò)RL的總電流iL為i1 和i2的代數(shù)和。 0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+UE+共五十六頁(yè)根據(jù)一階電路時(shí)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(shí),電流(dinli)i2的平均值

5、I2可寫(xiě)成共五十六頁(yè)電容(dinrng)C1上的平均電流為: 故在負(fù)載RL上產(chǎn)生(chnshng)的電壓為： 當(dāng)RL已知時(shí)， 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)。 共五十六頁(yè)利用對(duì)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(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)(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(gè)比較器，Ur為其參考電壓。圖3-16 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路

6、R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A14、差動(dòng)脈寬調(diào)制電路共五十六頁(yè)tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路(dinl)各點(diǎn)電壓波形圖共五十六頁(yè)根據(jù)電路知識(shí)(zh shi)可知： UA、UBA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(chng din)時(shí)間；U1觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為：共五十六頁(yè)A、B兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得(hud)，等于A、B兩點(diǎn)電壓平均值UA與U

7、B之差，設(shè)R1R2R，則 說(shuō)明(shumng)差動(dòng)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(yè)對(duì)于(duy)差動(dòng)式變極距型電容傳感器：對(duì)于差動(dòng)式變面積型電容傳感器來(lái)說(shuō)，設(shè)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(yè)可見(jiàn)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)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(duì)元件無(wú)線性要求(yoqi)；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求(yoqi)也不高。共五十六頁(yè)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(cè)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(yè)3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì) 與應(yīng)用(yngyng)中存在的問(wèn)題 3.3.1 電容(dinrng)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(wú)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。共五十六頁(yè)（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于(yy)制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可

9、以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況下都能正常工作，能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁工件進(jìn)行測(cè)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(cè)量。共五十六頁(yè)3動(dòng)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(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MHz的頻率下工作，特別(tbi)適合動(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)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。共五十六頁(yè)4可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng) 當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下,電

10、容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件(gngjin)表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。 共五十六頁(yè)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(cè)量，例如測(cè)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(yè)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(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108。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)

11、定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施(cush)，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。共五十六頁(yè) 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?chē)h(huán)境如溫濕度、清潔度等對(duì)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(shí)復(fù)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(yè)(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(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板(j bn)與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。共五十

12、六頁(yè)(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(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他(qt)類(lèi)型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，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。 共五十六頁(yè)3.3.2 設(shè)計(jì)與應(yīng)用中存在的問(wèn)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)(yudin)是與其正確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開(kāi)的。在設(shè)計(jì)傳感器的過(guò)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。共五十六頁(yè)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(lái)減小溫度等誤差。 共五十六頁(yè) 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(duì)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(fngcho)。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)。共五十六頁(yè) 傳感器內(nèi)，電極的支

14、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(zhǎng)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(slio)、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。 共五十六頁(yè) 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(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時(shí)，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(bǔ)償，但無(wú)法完全消除。 共五十六頁(yè)

15、在可能(knng)的情況下,傳感器內(nèi)盡量采用差動(dòng)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),這樣可以通過(guò)某些類(lèi)型的測(cè)量電路(如電橋)來(lái)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(duì)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(shí)變形。 共五十六頁(yè) 適當(dāng)(shdng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)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(cè)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(chǎng)的影響。 +-圖3-19 邊緣效應(yīng)2消除(xioch)和減小邊緣效應(yīng)共

16、五十六頁(yè) 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(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生(fshng)在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。 可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)(zn sh)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。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(yè)邊緣效應(yīng)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(bǔ)償作用。共五十六頁(yè) 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(hào)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(yè)（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(dòng)電纜(dinln)”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運(yùn)算放大器法；（6）整體屏蔽法共五十六頁(yè) （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(zhǎng)度來(lái)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(duì)值變化在 10-61范圍內(nèi)。 共五十六頁(yè) （2）集成化 將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)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(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場(chǎng)合使用。 共五十六頁(yè) 當(dāng)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(cè)量電路只能與傳感器分開(kāi)時(shí)，可采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)。（3）“驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。共五十六頁(yè)圖3-21 “驅(qū)動(dòng)電纜(dinln)”技術(shù)1：1+測(cè)量電路外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器-傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線(即電纜芯線)通過(guò)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(yè)由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號(hào)變化(binhu)而變化(binhu)的電壓，因此稱(chēng)為“驅(qū)動(dòng)電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止(fngzh)外界電場(chǎng)的干擾。 當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百F)時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長(zhǎng)達(dá)10m，儀器仍能正常工作。 共五十六頁(yè)內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個(gè)輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)(bish)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)對(duì)1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF

20、時(shí)，也能正常工作。 共五十六頁(yè)圖3-22 運(yùn)算(yn sun)放大器式法-AuoCCx（4）運(yùn)算(yn sun)放大器法共五十六頁(yè) 利用運(yùn)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(gè)(y )電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn),電纜的屏蔽層接儀器地,這時(shí)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(duì)芯線不起作用。共五十六頁(yè) 傳感器的另一電極接大地，用來(lái)(yn li)防止外電場(chǎng)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(shí)際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動(dòng)技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。開(kāi)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(cè)量精度。共五十六頁(yè) 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(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，正確選取接地點(diǎn)(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(yè)C1和C2構(gòu)成差動(dòng)電容傳感器，與平衡(pnghng)電阻Z1和Z2組成測(cè)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(yè)屏蔽層接地點(diǎn)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(duì)電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。 共五十六頁(yè)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(yè)Z1和Z2是具有中心抽頭并相互緊密耦合的兩個(gè)電感線圈，流過(guò)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(duì)稱(chēng)，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(duì)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(yè)還可以再加一層屏蔽，所加外屏蔽層接地點(diǎn)則選在差動(dòng)式電容傳感器兩電容C1和C2之間。這樣進(jìn)一步降低了外界(wiji)電磁場(chǎng)的干擾，而內(nèi)外屏蔽層之間的寄生電容等效作用在測(cè)量電路前置級(jí)，不影響電橋的平衡，因