傳感器原理及檢測技術(shù)-第4章-電容式傳感器原理及其應(yīng)用-B

3.雙T形電橋電路雙T型電橋連接

正半周負半周雙T形電橋電路如圖所示，高頻電源u提供幅值為U的方波。

4.運算放大器式測量電路

運算放大器式測量電路的原理圖如圖所示。電容式傳感器跨接在高增益運算放大器的輸入端與輸出端之間。由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗很高，可認為是一個理想運算放大器。則輸出電壓為：可見，運算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。運算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)和輸入阻抗都足夠大。理想運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)，且輸入阻抗。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容值穩(wěn)定。（5）調(diào)頻電路調(diào)頻電路是將電容式傳感器的電容與電感元件構(gòu)成振蕩器的諧振回路。其測量電路原理框圖如圖所示。當電容工作時，電容變化導(dǎo)致振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化，再通過鑒頻電路把頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大后輸出，即可進行顯示和記錄，這種方法稱為調(diào)頻法。當傳感器未工作時，振蕩頻率為：用調(diào)頻電路作為電容式傳感器的測量電路具有下列特點：（1）抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；（2）靈敏度高，可測量級的位移變化量；（3）能獲得高電平的直流信號，可達伏特數(shù)量級；（4）由于輸出為頻率信號，易于用數(shù)字式儀器進行測量，并可以和計算機進行通信，可以發(fā)送、接收，能達到遙測遙控的目的。（6）差動脈沖寬度調(diào)制電路

差動脈沖寬度調(diào)制電路如圖所示，它是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的變化而變化，再通過低通濾波器得到相應(yīng)被測量變化的直流信號。差動脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的電路中各點電壓波形如圖所示。4.3電容式傳感器的特點及設(shè)計改善措施1.電容傳感器的優(yōu)缺點（1）電容式傳感器的優(yōu)點溫度穩(wěn)定性好：電容式傳感器常用空氣等氣體作為絕緣介質(zhì)，介質(zhì)本身的發(fā)熱量非常小，可忽略不計。因此，只需要從強度、溫度系數(shù)等機械特性進行考慮，來合理選擇材料和幾何尺寸。阻抗高、功率小，需要輸入的動作能量低：電容式傳感器由于帶電極板間的靜電吸引力極小，因此所需要的輸入能量也極小，特別適用于低能量輸入的測量。動態(tài)響應(yīng)好：電容式傳感器由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強：電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造；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(yīng)能力強。（2）電容式傳感器的缺點輸出阻抗高，帶負載能力差：電容的容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此要注意溫度、濕度、清潔度等環(huán)境對絕緣材料絕緣性能的影響。輸出特性為非線性：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，輸出特性才成線性，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。寄生電容影響大：電容式傳感器的初始電容很小，而其引線電容、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。例如，將信號處理電路安裝在非常靠近極板的地方可以削弱泄露電容的影響。2.電容式傳感器的設(shè)計改善措施電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點是與其正確設(shè)計、選材以及精細的加工工藝分不開的；（1）消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容式傳感器的靈敏度降低，而且在測量中會產(chǎn)生非線性誤差，應(yīng)盡量減小或消除。適當減小電容式傳感器的極板間距，可以減小邊緣效應(yīng)的影響，但電容易被擊穿且測量范圍受到限制。一方面，可采取將電極做得很薄，使之遠小于極板間距的措施來減小邊緣效應(yīng)的影響。另一方面，可在結(jié)構(gòu)上增加等位保護環(huán)的方法來消除邊緣效應(yīng)，如圖所示。（a）電容器的邊緣效應(yīng)（b）帶有等位環(huán)的平板式電容器等位環(huán)消除電容邊緣效應(yīng)原理圖（2）保證絕緣材料的絕緣性能溫度、濕度等環(huán)境的變化是影響傳感器中絕緣材料性能的主要因素；傳感器的電極表面不便清洗，應(yīng)加以密封，可防塵、防潮；盡量采用空氣、云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)幾乎為零的電介質(zhì)作為電容式傳感器的電介質(zhì)；傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)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；傳感器電極的支架要有一定的機械強度和穩(wěn)定的性能。應(yīng)選用溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好，并具有高絕緣性能的材料，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、有機玻璃等。（3）減小或消除寄生電容的影響寄生電容可能比傳感器的電容大幾倍甚至幾十倍，影響了傳感器的靈敏度和輸出特性，嚴重時會淹沒傳感器的有用信號，使傳感器無法正常工作。因此，減小或消除寄生電容的影響是設(shè)計電容傳感器的關(guān)鍵。通常可采用如下方法：①增加電容初始值：增加電容初始值可以減小寄生電容的影響。采用減小電容式傳感器極板之間的距離，增大有效覆蓋面積來增加初始電容值。②采用驅(qū)動電纜技術(shù)：驅(qū)動電纜技術(shù)又叫雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)，它實際上是一種等電位屏蔽法。驅(qū)動放大器是一個輸入阻抗很高，具有容性負載，放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難點在于要在很寬的頻帶上實現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸入輸出的相移為零。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。等電位

驅(qū)動電纜技術(shù)原理圖③采用運算放大器法：運算放大器法的原理如圖所示。它利用運算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容。

運算放大器法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Σ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，為運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)，因而大大減小了電纜電容的影響。4.4電容式傳感器的應(yīng)用

電容式傳感器的應(yīng)用非常廣泛，它可用來測量液位和物位、壓力、加速度、直線位移、角度和角位移、厚度、振動和振幅、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度及成分等參數(shù)。1.電容式壓力傳感器下圖所示是典型的差動電容式壓力傳感器。其主要結(jié)構(gòu)為一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器。當被測壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時，形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。例1：差動電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器常用來測量氣體或液體的壓力，其外形結(jié)構(gòu)如圖所示。2.電容式加速度傳感器差動電容式加速度傳感器主要由兩個固定極板（與外殼絕緣）和一個質(zhì)量塊組成，中間的質(zhì)量塊采用彈簧片來進行支撐，它的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。（3）電容式位移傳感器圖示為一種圓筒式變面積型電容式位移傳感器。它采用差動式結(jié)構(gòu)，其固定電極與外殼絕緣，其活動電極與測桿相連并彼此絕緣。測量時，動電極隨被測物發(fā)生軸向移動，從而改變活動電極與兩個固定電極之間的有效覆蓋面積，使電容發(fā)生變化，電容的變化量與位移成正比。開槽彈簧片為傳感器的導(dǎo)向與支承，無機械摩擦，靈敏度高，但行程小，主要用于接觸式測量。電容式傳感器還可以用于測量振動位移，以及測量轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心動態(tài)偏擺等，屬于動態(tài)非接觸式測量，如圖所示。

（a）振幅測量（b）軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺測量電容式傳感器在振動位移測量中的應(yīng)用圖（a）中電容傳感器和被測物體分別構(gòu)成電容的兩個電極，當被測物發(fā)生振動時，電容兩極板之間的距離發(fā)生變化，從而改變電容的大小，再經(jīng)測量電路實現(xiàn)測量。圖（b）所示電容傳感器中，在旋轉(zhuǎn)軸外側(cè)相互垂直的位置放置兩個電容極板，作為定極板，被測旋轉(zhuǎn)軸作為電容傳感器的動極板。測量時，首先調(diào)整好電容極板與被測旋轉(zhuǎn)軸之間的原始間距，當軸旋轉(zhuǎn)時因軸承間隙等原因產(chǎn)生徑向位移和擺動時，定極板和動極板之間的距離發(fā)生變化，傳感器的電容量也相應(yīng)的發(fā)生變化，再經(jīng)過測量轉(zhuǎn)換電路即可測得軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心的偏擺。（4）電容式液位傳感器電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。測定電極安裝在容器的頂部，容器壁和測定電極之間構(gòu)成了一個電容器。當容器內(nèi)的被測物有一定液位高度時，由于被測物介電常數(shù)的影響，傳感器的電容發(fā)生變化，電容的變化量與被測液位的高度成線性關(guān)系。只要通過測量轉(zhuǎn)換電路檢測出電容的變化量，就可以測出液位的高度。傳感器的電容量可表示為：可見，電容器的電容量與被測液位高度成線性關(guān)系，且兩種介質(zhì)的介電常數(shù)相差越大、容器的內(nèi)徑與電極的直徑相差越小，傳感器的電容變化量就越大，靈敏度就越高。由于被測對象的性質(zhì)不一樣，不同介質(zhì)的導(dǎo)電性能不相同，電容式液位傳感器在不導(dǎo)電液體和導(dǎo)電液體的液位測量過程中，其結(jié)構(gòu)也會有差別，如圖所示。電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器被廣泛使用于工業(yè)測量中。幾類常見的電容式液位傳感器如圖所示。（a）棒式探極（b）同軸探極（c）纜式探極幾類常見的電容式液位傳感器下圖所示為電容式傳感器在油箱液位檢測中的應(yīng)用（5）電容式測厚傳感器電容式傳感器測厚的原理如圖所示。在被測帶材的上下兩側(cè)各裝設(shè)一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣兩極板與帶材之間形成兩個獨立電容。若帶材的厚度變化，將引起電容的變化，再用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘷z測出來，經(jīng)過放大，即可由顯示儀表顯示出帶材厚度的變化，從而實現(xiàn)帶材厚度的在線檢測。下圖所示為電容式測厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用電路。兩塊極板用導(dǎo)線連接成一個電極，而板材就是電容的另一個電極，其總電容為：電容式測厚傳感器應(yīng)用電路（6）電容式指紋識別傳感器電容式指紋識別傳感器是一種新型的傳感器。它在一些防盜系統(tǒng)、高科技以及重要場合中得到了應(yīng)用，如用于筆記本電腦、手機及汽車等的指紋識別及防盜，如圖所示。(a)筆記本指紋識別(b)指紋識別手機(c)汽車防盜指紋識別電容式指紋識別傳感器（1