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1、CH4 CH4 電容式傳感器電容式傳感器v1傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)類(lèi)型傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)類(lèi)型v2信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路v3電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例v4容柵式傳感器容柵式傳感器v5電容式集成傳感器電容式集成傳感器 電容式傳感器的工作原理、類(lèi)型和特點(diǎn)電容式傳感器的工作原理、類(lèi)型和特點(diǎn) 電容器是電子技術(shù)的三大類(lèi)無(wú)源元件電容器是電子技術(shù)的三大類(lèi)無(wú)源元件(電阻、電阻、電感和電容電感和電容)之一,利用電容器的原理,將非電之一,利用電容器的原理,將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化量轉(zhuǎn)換成電容量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置,稱(chēng)為電容式傳感器,它實(shí)質(zhì)上是的器件
2、或裝置,稱(chēng)為電容式傳感器,它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移,振動(dòng)振電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移,振動(dòng)振幅幅(可測(cè)至可測(cè)至0.05m的微小振幅的微小振幅),尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量,還可用來(lái)、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量,還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、
3、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。為位置信號(hào)發(fā)生器。 當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí),往當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí),往往采用單電極式變極距型電容傳感器,這時(shí)被測(cè)物是電往采用單電極式變極距型電容傳感器,這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極,另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。容器的一個(gè)電極,另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。4.1工作原理和特點(diǎn)工作原理和特點(diǎn) 用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器,當(dāng)忽略邊緣效用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器,當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí),其電容應(yīng)時(shí),其電容C為為 A極板相互覆蓋面積;極板相互覆蓋面積; 極板間
4、距離;極板間距離;r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),對(duì)于空氣介質(zhì)為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),對(duì)于空氣介質(zhì)為1;0 真空介電常數(shù),真空介電常數(shù),0 8.85p pF/m; 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 、A和和r r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí),就改變了電容中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí),就改變了電容C0 0。 或或A的變化可以的變化可以反映線位移或角位移的變化,也可以間接反映壓力、加速度等的變化;反映線位移或角位移的變化,也可以間接反映壓力、加速度等的變化;r r的的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。 AxAACr0下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回
5、由上式可知,改變電容由上式可知,改變電容C C的方法有三種的方法有三種: :改變介質(zhì)的介電常數(shù)改變介質(zhì)的介電常數(shù);改變形成電容的有效面積改變形成電容的有效面積A A;改變兩個(gè)極板間的距離改變兩個(gè)極板間的距離 。由此得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量由此得到電參數(shù)的輸出為電容值的增量CC,這就成了,這就成了電容式傳感器。電容式傳感器。 根據(jù)上述原理,在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三根據(jù)上述原理,在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三種基本類(lèi)型,即種基本類(lèi)型,即變極距變極距( (或稱(chēng)變間隙)型、變面積型和或稱(chēng)變間隙)型、變面積型和變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型。最常用的為變極距型。最常用的為變極距型。 它們的電極形狀有平
6、板形、圓柱形和球平面形三它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。種。圖庫(kù)圖庫(kù)圖4-2 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式12(a)(b)(c)( d )( e )( f )(g)(h)(i)( j )( k)( l )變極距型:變極距型:a,b一般用來(lái)測(cè)量微小位移一般用來(lái)測(cè)量微小位移(0.01-0.1m)變面積型:變面積型:c-h用來(lái)測(cè)量角位移或較大的線位移用來(lái)測(cè)量角位移或較大的線位移變介電常數(shù)型:變介電常數(shù)型:i-l用來(lái)測(cè)量介質(zhì)的厚度、位置、液位以及成分含量等用來(lái)測(cè)量介質(zhì)的厚度、位置、液位以及成分含量等 特點(diǎn)特點(diǎn)溫度穩(wěn)定性好溫度穩(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
7、寸,且空氣等介質(zhì)損耗很小,因此只要從強(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即可,其他因素(因本身發(fā)熱極小) 影響甚微。而電阻式傳感器有電阻,供電后產(chǎn)生熱量;電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等,引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng)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。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(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,(
8、約幾個(gè)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??梢詫?shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)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),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。 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輸入能量極小,所以特別適宜
9、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,分辨力非常高,能感受0.001m甚至更小的位移。 不足:不足:輸出阻抗高,負(fù)載能力差輸出阻抗高,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)定現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作,必須采取屏蔽措施,從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。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
10、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,且寄生電容影響加大,難以保證工作穩(wěn)定。 寄生電容影響大寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小,而其引線電纜電容電纜電容(l2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容成的電容等“寄生電容寄生電容”卻較大,降低了傳感器的靈敏度;這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的,將使傳感器工作不穩(wěn)定,影響測(cè)量精度,其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量,致使傳感器無(wú)法工作。因此對(duì)電纜選擇、安裝、接法有要求輸出特性非線性輸出特性非線性 變極距型電容傳
11、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。 隨著材料、工藝、電子技術(shù),特別是集成電路的高速發(fā)展,使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度,在動(dòng)態(tài)、低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器。 1 1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 圖中極板1固定不動(dòng),極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片),當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí),使兩極板間距變化,從而使電容量產(chǎn)生變化 ,初始電容為2變極距型電容傳感器1
12、000ACr若極板間距離由初始值0縮小了 ,電容量增大了C,則有 000001CACCCr電容變化量為0001CC若 / 01時(shí),則.113020000000CCC00CC近似線性處理,則CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2dv可見(jiàn)只有當(dāng) 很小時(shí),才可認(rèn)為 即在任何中性點(diǎn)附近,電容量的相對(duì)變化與位移的相對(duì)變化成正比。只只有比值有比值 / / 很小時(shí)才可認(rèn)為是接近線性關(guān)系,這就意味很小時(shí)才可認(rèn)為是接近線性關(guān)系,這就意味著使用這種形式傳感器時(shí),被測(cè)量范圍不應(yīng)太大。著使用這種形式傳感器時(shí),被測(cè)量范圍不應(yīng)太大。00CC0靈敏度為靈敏度為00CCS即靈敏度與初始間距成反比即靈敏度與初始間距成反比只考
13、慮線性項(xiàng)和二次項(xiàng)時(shí),傳感器的相對(duì)非線性誤差只考慮線性項(xiàng)和二次項(xiàng)時(shí),傳感器的相對(duì)非線性誤差為為 %1000 可以看出:要提高靈敏度,應(yīng)減小起始間隙可以看出:要提高靈敏度,應(yīng)減小起始間隙0,但非線性,但非線性誤差卻隨著誤差卻隨著0的減小而增大。的減小而增大。 因此為在比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感因此為在比較大的范圍內(nèi)使用此種傳感器,可適當(dāng)?shù)脑龃髽O板間的初始距離器,可適當(dāng)?shù)脑龃髽O板間的初始距離 0 ,以保證比值以保證比值 /0不致過(guò)大,但會(huì)帶來(lái)靈敏不致過(guò)大,但會(huì)帶來(lái)靈敏度下降的缺點(diǎn),同時(shí)也使電容傳感器的初始度下降的缺點(diǎn),同時(shí)也使電容傳感器的初始值減小,值減小,易導(dǎo)致電容器擊穿(空氣的擊穿電易導(dǎo)致電容器
14、擊穿(空氣的擊穿電壓為壓為3kVmm),),寄生電容的干擾作用將寄生電容的干擾作用將增加。增加。 000ggAC放置云母片的電容器放置云母片的電容器式中:式中:g云母的相對(duì)介電常數(shù),云母的相對(duì)介電常數(shù),g=7; 0空氣的介電常數(shù),空氣的介電常數(shù),0=1; 0空氣隙厚度;空氣隙厚度; g云母片的厚度。云母片的厚度。 為此,極板間可采用高介電為此,極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母或塑料膜等)常數(shù)的材料(云母或塑料膜等)作介質(zhì)作介質(zhì), 如圖,此時(shí)電容如圖,此時(shí)電容C變?yōu)樽優(yōu)?gg00 云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍,其擊穿電壓不小于倍,其擊穿電壓不小于1000 kV/
15、mm,而空氣僅為,而空氣僅為3 kV/mm。因此有了云母片,極板間。因此有了云母片,極板間起始距離可大大減小。同時(shí)式中起始距離可大大減小。同時(shí)式中g(shù)/0g項(xiàng)是恒定值,項(xiàng)是恒定值, 它能使傳它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。感器的輸出特性的線性度得到改善。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之之間,間, 極板間距離在極板間距離在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于初始的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于初始間距的間距的1/10,變極距式電容傳感器的靈敏度高,可利用被測(cè)部件,變極距式電容傳感器的靈敏度高,可利用被測(cè)部件做為動(dòng)極板實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)非接觸
16、測(cè)量,故在微位移和壓力測(cè)量中應(yīng)做為動(dòng)極板實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量,故在微位移和壓力測(cè)量中應(yīng)用最廣。用最廣。 v 實(shí)際應(yīng)用中,為了改善非線性、提高靈敏度實(shí)際應(yīng)用中,為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度如電源電壓、環(huán)境溫度)的影響,的影響,常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。善其非線性。 差動(dòng)變極距型傳感器差動(dòng)變極距型傳感器采用差動(dòng)形式,并取兩電容之差為輸出量C差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 0012C1C2S 在差動(dòng)式平板電容器在差動(dòng)式平板電容器中,當(dāng)動(dòng)極板位移中,當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí),電容器時(shí),電容器C1的間
17、隙的間隙1變?yōu)樽優(yōu)?0- ,電容,電容器器C2的間隙的間隙 2變?yōu)樽優(yōu)?0+ , 則則 002001/11/11CCCC在/01時(shí), 按級(jí)數(shù)展開(kāi)得 3020002302000111CCCC電容值總的變化量為 503000212CCCC電容值相對(duì)變化量為 40200012CC略去高次項(xiàng),則C/C0與/0近似成為如下的線性關(guān)系: 002CC 如果只考慮的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差近似為 %10020即靈敏度增大,非線性誤差減小,即靈敏度增大,非線性誤差減小,v 變面積型和變介電常數(shù)型變面積型和變介電常數(shù)型(測(cè)厚除外測(cè)厚除外)電電容傳感器具有很好的線性。但它們的結(jié)論都容傳感器具
18、有很好的線性。但它們的結(jié)論都是忽略了邊緣效應(yīng)得到的。實(shí)際上由于邊緣是忽略了邊緣效應(yīng)得到的。實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)仍存在非線性問(wèn)題,且靈敏度下降,但效應(yīng)仍存在非線性問(wèn)題,且靈敏度下降,但比變極距型好得多。比變極距型好得多。(2)變面積型電容傳感器)變面積型電容傳感器特點(diǎn):極板相對(duì)覆蓋面積的變化改變電容值特點(diǎn):極板相對(duì)覆蓋面積的變化改變電容值測(cè)量范圍較大(線位移,或角位移)測(cè)量范圍較大(線位移,或角位移)類(lèi)型:平板型,圓柱形,角位移,齒形極板類(lèi)型:平板型,圓柱形,角位移,齒形極板變面積型電容傳感器原理圖變面積型電容傳感器原理圖 bxaxS 被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效
19、覆蓋面積板有效覆蓋面積S改變,從而得到電改變,從而得到電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí),兩極板重疊時(shí),兩極板重疊面積減小,電容量也將減小,電容變面積減小,電容量也將減小,電容變化量為化量為 xbbxabCCCrr)(a-000axCC0式中式中C0=0r ba/為初始電容。電容相對(duì)變化量為為初始電容。電容相對(duì)變化量為 很明顯,這種形式的傳感器其電容量很明顯,這種形式的傳感器其電容量C與水平位移與水平位移x呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系。 靈敏度為靈敏度為bxCSv 變面積型電容傳感器的靈敏度為常數(shù),變面積型電容傳感器的靈敏度為常數(shù),即輸入
20、輸出為線性關(guān)系,但與變極距相比,即輸入輸出為線性關(guān)系,但與變極距相比,靈敏度降低,廣泛用于較大的直線位移和角靈敏度降低,廣泛用于較大的直線位移和角位移的測(cè)量。位移的測(cè)量。(3 3)變介電常數(shù)型電容傳感器)變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度厚度、液位液位,還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度溫度、濕度濕度等。n若忽略邊緣效應(yīng),單組式平板形厚度傳感器如下圖,設(shè)極板的長(zhǎng)度和寬度分別為l和b,傳感器的電容量與被測(cè)厚度的關(guān)系為 x厚度傳感器C1C2C3CxxlbC0n測(cè)量介質(zhì)位置:若忽略邊緣效應(yīng),單組式平板形線位移傳感器如下圖,傳感器
21、的電容量與被位移的關(guān)系為 C1C2C3CC4 l、b、ax:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度 ;:兩固定極板間的距離;x、0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù) 。 l平板形ax00)(xxxxalbbaCn測(cè)量介質(zhì)液位:若忽略邊緣效應(yīng),圓筒式液位傳感器如下圖,傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為 液位傳感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可見(jiàn),傳感器電容量C與被測(cè)液位高度hx成線性關(guān)系。 2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrKv 變介電常數(shù)式電容傳感器也可以用來(lái)測(cè)變介電常數(shù)式電容傳感器也可以用來(lái)測(cè)量糧食
22、、紡織品、木材或煤炭等固體介質(zhì)的量糧食、紡織品、木材或煤炭等固體介質(zhì)的溫度或濕度,當(dāng)被測(cè)介質(zhì)受到外界溫度或濕溫度或濕度,當(dāng)被測(cè)介質(zhì)受到外界溫度或濕度影響時(shí),其介電常數(shù)發(fā)生變化,從而引起度影響時(shí),其介電常數(shù)發(fā)生變化,從而引起電容量發(fā)生變化電容量發(fā)生變化電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)4.2 信號(hào)調(diào)理電路(也稱(chēng)測(cè)量電路) 電容式傳感器輸出的電容量以及電容的變化量都比較電容式傳感器輸出的電容量以及電容的變化量都比較小,不能直接驅(qū)動(dòng)顯示記錄儀器,也不便于傳輸,必須借助小,不能直接驅(qū)動(dòng)顯示記錄儀器,也不便于傳輸,必須借助于信號(hào)調(diào)理電路檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其于信號(hào)調(diào)理電路檢
23、出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成正比的的電壓、電流或者頻率的變化。成正比的的電壓、電流或者頻率的變化。v運(yùn)算放大電路運(yùn)算放大電路v電橋電路電橋電路v調(diào)頻電路調(diào)頻電路v雙雙T T形電路形電路v脈沖調(diào)寬電路脈沖調(diào)寬電路4.2.1運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大,而且輸入阻抗由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大,而且輸入阻抗Zi很很高高, 運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的信號(hào)調(diào)理電路。運(yùn)算放大器式電路原理圖想的信號(hào)調(diào)理電路。運(yùn)算放大器式電路原理圖, 圖中圖中Cx為電為電容式傳感器電容;容式傳感器電容;
24、u是交流電源電壓是交流電源電壓; uo是輸出信號(hào)電壓是輸出信號(hào)電壓; 是虛地點(diǎn)。是虛地點(diǎn)。.圖圖4.8 運(yùn)算放大器式電路原理圖運(yùn)算放大器式電路原理圖cbI&CuiI&cxI&CxouAACuuouCCuxo如果傳感器是一只平板電容,則如果傳感器是一只平板電容,則Cx=A/,代入,可得,代入,可得 由運(yùn)算放大器理想條件由運(yùn)算放大器理想條件“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”可得可得 式中式中“-”號(hào)表示輸出電壓的相位與電源電壓反相??梢?jiàn)運(yùn)號(hào)表示輸出電壓的相位與電源電壓反相??梢?jiàn)運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。運(yùn)算放大器式成線性關(guān)系。運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個(gè)變
25、極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題,電路雖解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題,但要求但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度,及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度, 還要求電源電還要求電源電壓壓u的幅值和固定電容的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。值穩(wěn)定。 . 將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂,另或兩個(gè)相鄰臂,另兩個(gè)臂可以是兩個(gè)臂可以是電阻電阻或或電容電容或或電感電感,也可是,也可是變壓器的兩個(gè)二次線圈變壓器的兩個(gè)二次線圈。其中另兩個(gè)臂是。其中另兩個(gè)臂是緊緊耦合電感臂耦合電感臂(g)的電橋具有較高的靈敏度和
26、穩(wěn)定性,且寄生電容影響極小、大大簡(jiǎn)化了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,適合于電橋的屏蔽和接地,適合于高頻電源下高頻電源下工作。而工作。而變壓器式電橋變壓器式電橋(h)使用元件最少,橋路使用元件最少,橋路內(nèi)阻最小,因此內(nèi)阻最小,因此目前較多采用。目前較多采用。4.2.24.2.2電橋電路電橋電路v設(shè)變壓器次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)為u/2,電橋后接放大器的輸入阻抗RL,則電橋輸出電壓為212102uCCCCu對(duì)于變極距式電容傳感器,則002001ACCACC,002uu對(duì)于變面積式電容傳感器,AACAAC0201,則002uAAu 可見(jiàn)電橋輸出電壓與極距變
27、化量、面積變化量都呈線性關(guān)系可見(jiàn)電橋輸出電壓與極距變化量、面積變化量都呈線性關(guān)系注意注意:輸出電壓與電源電壓成正比,要求電源電輸出電壓與電源電壓成正比,要求電源電壓波動(dòng)極小,需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施;壓波動(dòng)極小,需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施; 通常處于不平衡工作狀態(tài),所以傳感器必通常處于不平衡工作狀態(tài),所以傳感器必須工作在平衡位置附近,否則電橋非線性增大,且須工作在平衡位置附近,否則電橋非線性增大,且在要求精度高的場(chǎng)合(如飛機(jī)用油量表)應(yīng)采用自在要求精度高的場(chǎng)合(如飛機(jī)用油量表)應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋;動(dòng)平衡電橋; 交流電橋輸出阻抗很高交流電橋輸出阻抗很高( (幾幾MM至幾十至幾十M)M),輸出電壓幅
28、值小,必須后接高輸入阻抗、高放大倍輸出電壓幅值小,必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。數(shù)的處理電路。 v將電容傳感器與電容、電感元件構(gòu)成振蕩器的諧振電路。將電容傳感器與電容、電感元件構(gòu)成振蕩器的諧振電路。當(dāng)電容傳感器工作時(shí),電容量發(fā)生變化,導(dǎo)致振蕩器的振當(dāng)電容傳感器工作時(shí),電容量發(fā)生變化,導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。但振蕩頻率變化的同時(shí),振蕩器輸出幅蕩頻率發(fā)生變化。但振蕩頻率變化的同時(shí),振蕩器輸出幅值也發(fā)生改變,為此在振蕩器之后加入值也發(fā)生改變,為此在振蕩器之后加入限幅限幅環(huán)節(jié)。雖然可環(huán)節(jié)。雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量,將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量, 用以判斷被測(cè)非電量的用以判斷被測(cè)
29、非電量的大小大小, 但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的, 不易校正不易校正, 因此加入因此加入鑒頻器鑒頻器, 將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化, 經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。指示或記錄儀記錄下來(lái)。4.2.3調(diào)頻電路調(diào)頻電路鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為21LCf式中式中: L振蕩回路的電感振蕩回路的電感; C振蕩回路的總電容,振蕩回路的總電容,C=Cx+Cc+C。 其中其中, C為振蕩回路固有電容為振蕩回路固有電容; Cc為傳感器引線分布電容為
30、傳感器引線分布電容; Cx為傳感器的電容。為傳感器的電容。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)時(shí), 傳感器未工作時(shí),傳感器未工作時(shí),CX=C0,C =0, 則則C =C+Cc+C0, 所以振蕩器有一個(gè)固有頻率所以振蕩器有一個(gè)固有頻率f0, 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為 0 時(shí)時(shí), C0, 振蕩器頻率有相應(yīng)變化振蕩器頻率有相應(yīng)變化, 此時(shí)頻此時(shí)頻率為率為 LCCCfc)(2100LCCCCfff)(21200 振蕩器輸出是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻波,中心頻率振蕩器輸出是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻波,中心頻率f0一般選在一般選在1MHZ以上。以上。調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較
31、高靈敏度靈敏度, 可以測(cè)至可以測(cè)至0.01 m級(jí)位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)級(jí)位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量,便于與計(jì)算機(jī)通信字儀器測(cè)量,便于與計(jì)算機(jī)通信, 抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng), 可以發(fā)送、可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。二極管雙二極管雙T形交流電橋形交流電橋 二極管雙二極管雙T形交流電橋電路原理圖。形交流電橋電路原理圖。u是高頻電源,是高頻電源, 它提供了幅值為它提供了幅值為U的對(duì)稱(chēng)方波,的對(duì)稱(chēng)方波,VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管,固定電阻為特性完全相同的兩只二極管,固定電阻R1=R2=R,C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。
32、RL為負(fù)載電阻。為負(fù)載電阻。VD2VD1uC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I4.2.4雙雙T型電路型電路 當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí),當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí),C1=C2。其電路工作原理如下:當(dāng)。其電路工作原理如下:當(dāng)u為正半周時(shí),二極為正半周時(shí),二極管管VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2截止,于是電容截止,于是電容C1充電,其等效電路如圖(充電,其等效電路如圖(b)所示;在隨后負(fù))所示;在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí),電容半周出現(xiàn)時(shí),電容C1上的電荷通過(guò)電阻上的電荷通過(guò)電阻R1,負(fù)載電阻,負(fù)載電阻RL放電,流過(guò)放電,流過(guò)RL的電流為的電流為I1。當(dāng)。當(dāng)u為負(fù)半
33、周時(shí),為負(fù)半周時(shí),VD2導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD1截止,則電容截止,則電容C2充電,其等效電路如圖(充電,其等效電路如圖(c)所示;在隨后出現(xiàn)正半周時(shí),所示;在隨后出現(xiàn)正半周時(shí), C2通過(guò)電阻通過(guò)電阻R2,負(fù)載電阻,負(fù)載電阻RL放電,流過(guò)放電,流過(guò)RL的電流的電流為為I2 。根據(jù)上面所給的條件,則電流。根據(jù)上面所給的條件,則電流I1=I2,且方向相反,在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò),且方向相反,在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的的平均電流為零。平均電流為零。 VD2VD1uC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0,則,則C1C2,
34、 I1I2, 此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)過(guò)RL上的平均電流不為零,上的平均電流不為零, 因此產(chǎn)生輸出電壓,輸出電壓在一因此產(chǎn)生輸出電壓,輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為個(gè)周期內(nèi)平均值為 fCCURRRRRRdtRtItITRIULLLLTLLo)()()2()()(1212210式中式中, U:電源電壓幅值;電源電壓幅值;f為電源頻率。為電源頻率。 當(dāng)當(dāng)RL已知,已知,)()()2(2常數(shù)MRRRRRRLLL則可改寫(xiě)為則可改寫(xiě)為 )(21CCUfMUo 從式中可知,輸出電壓從式中可知,輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān),而且與不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān),而且與T形形網(wǎng)絡(luò)中的電容
35、網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后,輸出電壓的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后,輸出電壓Uo是電容是電容C1和和C2的函數(shù)。該電路輸出電壓較高,當(dāng)電源頻率為的函數(shù)。該電路輸出電壓較高,當(dāng)電源頻率為1.3 MHz,電源電壓,電源電壓U=46V時(shí),電容在時(shí),電容在-77pF變化,可以在變化,可以在1M負(fù)載上得到負(fù)載上得到-55V的直流輸出電的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān),故輸入電源要求壓。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān),故輸入電源要求必須是穩(wěn)幅必須是穩(wěn)幅穩(wěn)頻和高頻高幅的對(duì)稱(chēng)方波,以保證該電路具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度。穩(wěn)頻和高頻高幅的對(duì)稱(chēng)方波,以保證該電路具有
36、較高的穩(wěn)定性和靈敏度。當(dāng)當(dāng)U幅值幅值較高,使二極管較高,使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí),測(cè)量的非線性誤差很小。電路工作在線性區(qū)域時(shí),測(cè)量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān),而僅與無(wú)關(guān),而僅與R1、 R2及及RL有關(guān),約為有關(guān),約為1100k。輸。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1 k的負(fù)載電阻上升時(shí)間為的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20s左右,左右, 故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 )(21CCUfMUo 雙雙T型電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)、能在惡型電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、
37、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)、能在惡劣環(huán)境(如高、低溫及強(qiáng)輻射)下正常工作的優(yōu)點(diǎn)劣環(huán)境(如高、低溫及強(qiáng)輻射)下正常工作的優(yōu)點(diǎn)電容傳感器引起測(cè)量誤差的因素及改進(jìn)v1 溫度影響 溫度對(duì)介電常數(shù)的影響: 空氣、云母的介電常數(shù)的溫度系數(shù)為零,以它們作為介質(zhì)2電容電場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性,因此應(yīng)盡產(chǎn)生非線性,因此應(yīng)盡量消除或減小它。量消除或減小它。帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場(chǎng)1233邊緣電場(chǎng)216ln1rrhCrfddd 適當(dāng)減小極間距減小極間距d,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
38、范圍。電極h應(yīng)做得極薄使之與極間距d相比很小,這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。增大極板面積r可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3與電極2在同一平面上并將電極2包圍,且與電極2電絕緣但等電位,這就能使電極2的邊緣電力線平直,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)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場(chǎng)1233邊緣電場(chǎng) 3寄生電容和分布電容的影響寄生電容和分布電容的影響 寄生電容、分布電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián),影響寄生電容、分布電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián),影響傳感器的靈敏度,而它的變化則為虛假信號(hào)影響傳感器的靈敏度,而它的變化則為虛假信
39、號(hào)影響儀器的精度,必須消除和減小它。儀器的精度,必須消除和減小它。 (1 1)增加傳感器原始電容值)增加傳感器原始電容值(2 2)注意傳感器的接地和屏蔽;()注意傳感器的接地和屏蔽;(3 3)集成化)集成化(4 4)采用運(yùn)算放大器法;()采用運(yùn)算放大器法;( 5 5)整體屏蔽法)整體屏蔽法4 4 防止和減小外界干擾防止和減小外界干擾當(dāng)外界干擾(如電磁場(chǎng))在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號(hào)一起輸送至測(cè)量電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。干擾信號(hào)足夠大時(shí),儀器無(wú)法正常工作。此外,接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號(hào),也會(huì)給儀器帶來(lái)誤差和故障。防止和減小干擾的措施歸納為: u屏蔽和接地。傳感器殼體;導(dǎo)線;傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)等等。u增加原始電容量,降低容抗。u導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn),線要盡可能短,最好成直角排列,若必須平行排列時(shí),可采用同軸屏蔽電纜線。u盡可能一點(diǎn)接地,避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。u采用差動(dòng)式電容傳感器,減小非線性誤差,提高傳感器靈敏度,減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。 5材料的絕緣性能 減小環(huán)境溫度、濕度環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差,以保證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
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