傳感器原理及應(yīng)用-第5章-電容式傳感器

1、 第五章 電容式傳感器 第五章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 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)，0為真為真空介電常數(shù)，空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A兩平行板所覆蓋的面積；兩平行板所覆蓋的面積；d兩平行板之間兩平行板之間的距離。的距離。 兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)電容量為不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)電容量為 一、基本工作

2、原理一、基本工作原理5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)dAdACr0d d極板極板1極板極板2被測(cè)參數(shù)變化被測(cè)參數(shù)變化A、d或或發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生變化時(shí)，電容量電容量C也隨之變化。也隨之變化。僅改變一個(gè)參數(shù)，僅改變一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)的變化可轉(zhuǎn)換為該參數(shù)的變化可轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。輸出。電容式傳感器的三種類型：電容式傳感器的三種類型：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型。變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型。一、基本工作原理一、基本工作原理5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)若電容器極板間距離由初始若電容器極板間距離由初始值值d0縮小了縮

3、小了d，電容量增大了，電容量增大了C，則有則有二、變極距型電容傳感器二、變極距型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)200000000111 ddddCddCddSCCCrd/d01時(shí)，時(shí)，1-(d/d0)21，則，則000ddCCCC與與d近似呈線性關(guān)系。變極距近似呈線性關(guān)系。變極距型電容式傳感器只有在型電容式傳感器只有在d/d0很小很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。1 1、基本輸出特性、基本輸出特性電容的相對(duì)變化量為電容的相對(duì)變化量為 二、變極距型電容傳感器二、變極距型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)0001ddCdCd當(dāng)當(dāng)|d/d0|1時(shí)，級(jí)數(shù)展開有

4、時(shí)，級(jí)數(shù)展開有 輸出電容的相對(duì)變化量與輸輸出電容的相對(duì)變化量與輸入位移之間成非線性關(guān)系。入位移之間成非線性關(guān)系。傳感器的相對(duì)非線性誤差：傳感器的相對(duì)非線性誤差： 2 2、非線性特性、非線性特性 30200001ddddddddCC%100%100|/|)/(0020dddddd電容傳感器的靈敏度為電容傳感器的靈敏度為二、變極距型電容傳感器二、變極距型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)001/ddCCK3 3、靈敏度、靈敏度單位輸入位移所引起的輸出單位輸入位移所引起的輸出電容相對(duì)變化的大小與電容相對(duì)變化的大小與d0呈反比呈反比關(guān)系。關(guān)系。 當(dāng)當(dāng)|d/d0|1時(shí)有近似線性關(guān)時(shí)有近似線性關(guān)

5、系系 2 2、非線性特性、非線性特性00ddCC要提高靈敏度，應(yīng)減小起始要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙間隙d0，但非線性誤差卻隨著，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。的減小而增大。 一般變極板間距離電容式傳一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在感器的起始電容在20100pF之間，之間，極板間距離在極板間距離在25200m的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的最大位移應(yīng)小于間距的1/10。變極距電容式傳感器在微位變極距電容式傳感器在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。移測(cè)量中應(yīng)用最廣。 在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移板位移d時(shí)，電容器時(shí)，電容器C1的間隙的間隙d1變?yōu)樽優(yōu)閐

6、0-d，電容器，電容器C2的間隙的間隙d2變?yōu)樽優(yōu)閐0+d，則則 二、變極距型電容傳感器二、變極距型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。構(gòu)。4 4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)002001/11/11ddCCddCCC1 d1C2 d2電容值相對(duì)變化量為電容值相對(duì)變化量為 二、變極距型電容傳感器二、變極距型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)40200012ddddddCC略去高次項(xiàng)，則略去高次項(xiàng)，則C/C0與與d/d0近似線性關(guān)系為近似線性關(guān)系為電容值總的

7、變化量為電容值總的變化量為 4 4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)、差動(dòng)式結(jié)構(gòu) 503000212ddddddCCCCC1 d1C2 d2002ddCC差動(dòng)式傳感器的靈敏度為差動(dòng)式傳感器的靈敏度為二、變極距型電容傳感器二、變極距型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)差動(dòng)式傳感器的相對(duì)非線性誤差差動(dòng)式傳感器的相對(duì)非線性誤差近似為近似為 4 4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)%100%100|/|2|)/( |220030 ddddddC1 d1C2 d2002/ddCCK差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電容傳感器非線性差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電容傳感器非線性誤差大大降低，靈敏度增加了一倍。誤差大大降低，靈敏度增加了一倍。 兩種常用變面積型電容傳感

8、器：兩種常用變面積型電容傳感器：線位移式和角位移。線位移式和角位移。三、變面積型電容傳感器三、變面積型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)axCCCCC000傳感器的電容量與水平位移呈線傳感器的電容量與水平位移呈線性關(guān)系。性關(guān)系。 被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積改變，產(chǎn)生電容量的板有效覆蓋面積改變，產(chǎn)生電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板平移變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板平移x時(shí)，則電容相對(duì)變化量為時(shí)，則電容相對(duì)變化量為 1 1、平行平板線位移式、平行平板線位移式初始電容初始電容C0為為三、變面積型電容傳感器三、變面積型電容傳感器5.1 電容式傳感器工

9、作原理和結(jié)構(gòu)LaCCCCC000傳感器的電容量與內(nèi)筒線位移呈傳感器的電容量與內(nèi)筒線位移呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。 當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度變化時(shí)，電容量也隨當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度變化時(shí)，電容量也隨之變化。當(dāng)內(nèi)筒上移為之變化。當(dāng)內(nèi)筒上移為a 時(shí)，內(nèi)外筒時(shí)，內(nèi)外筒間的電容相對(duì)變化量為間的電容相對(duì)變化量為 2 2、同軸圓筒線位移式、同軸圓筒線位移式DdLadDLCln20初始電容初始電容C0為為三、變面積型電容傳感器三、變面積型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)000CCCCC傳感器的電容量與角位移呈線性傳感器的電容量與角位移呈線性關(guān)系。關(guān)系。 當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積

10、就發(fā)生改變，定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。電容從而改變了兩極板間的電容量。電容相對(duì)變化量為相對(duì)變化量為 3 3、角位移式、角位移式000dAC設(shè)固定極板長(zhǎng)度為設(shè)固定極板長(zhǎng)度為a、寬度為、寬度為b、兩極、兩極板間的距離為板間的距離為d；被測(cè)物的厚度和介電常；被測(cè)物的厚度和介電常數(shù)分別為數(shù)分別為dx和和, 則則四、變介質(zhì)型電容傳感器四、變介質(zhì)型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與被測(cè)量物體的厚度傳感器的電容量與被測(cè)量物體的厚度和介電常數(shù)有關(guān)。和介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)介電常數(shù)一定時(shí)，通過傳感器電容當(dāng)介電常數(shù)一定時(shí)，通過傳感器電容量的變化測(cè)量物體的厚度

11、。量的變化測(cè)量物體的厚度。 1 1、單組平板厚度式電容傳感器、單組平板厚度式電容傳感器 0321xxdddabCCCCdxCC1C2C3設(shè)極板寬度為設(shè)極板寬度為b，板間無介質(zhì)，板間無介質(zhì)2時(shí)，傳感器的電容量時(shí)，傳感器的電容量四、變介質(zhì)型電容傳感器四、變介質(zhì)型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)121221111ddxlbddbxCCCBA傳感器的電容量與位移呈線性關(guān)系。傳感器的電容量與位移呈線性關(guān)系。 插入介質(zhì)插入介質(zhì)2 后的電容量后的電容量2 2、單組平板位移式電容傳感器、單組平板位移式電容傳感器 2110ddblCd21CBld12xCACACBC設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為設(shè)被測(cè)介質(zhì)的

12、介電常數(shù)為1，液面高，液面高度為度為h, 變換器總高度為變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為外筒內(nèi)徑為D，變換器電容值為，變換器電容值為 四、變介質(zhì)型電容傳感器四、變介質(zhì)型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度。變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度。3 3、測(cè)量液位圓筒式電容傳感器、測(cè)量液位圓筒式電容傳感器 111022()112()2()2111hHhCDDnnddhhHCDDDnnndddC2C1C 第五章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3

13、 電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，電容式傳感器的等效電路。電容式傳感器的等效電路。一、電容式傳感器等效電路一、電容式傳感器等效電路5.2 電容式傳感器等效電路根據(jù)等效電路，電容式根據(jù)等效電路，電容式傳感器有一個(gè)諧振頻率，通傳感器有一個(gè)諧振頻率，通常為幾十兆赫。當(dāng)工作頻率常為幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞傳感器正常作用。振頻率破壞傳感器正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率。于諧振頻率。 并聯(lián)損耗電阻并聯(lián)損耗電

14、阻Rp：表示極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。表示極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。并聯(lián)損耗低頻時(shí)影響大，隨著工作頻率并聯(lián)損耗低頻時(shí)影響大，隨著工作頻率增高，容抗減小，影響就減弱。增高，容抗減小，影響就減弱。串聯(lián)損耗電阻串聯(lián)損耗電阻Rs：引線電阻、電容器支架和極板電阻引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。的損耗。電感電感L：電容器的電感和外部引線電感。電容器的電感和外部引線電感。 第五章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 與電感傳

15、感器不同，電與電感傳感器不同，電容傳感器中電容值和電容變?nèi)輦鞲衅髦须娙葜岛碗娙葑兓慷际治⑿?，難以直接化量都十分微小，難以直接為儀表所顯示和記錄。為儀表所顯示和記錄。因此，需要一些測(cè)量電因此，需要一些測(cè)量電路檢測(cè)出電容的微小變化量，路檢測(cè)出電容的微小變化量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓、電流并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓、電流或頻率輸出。或頻率輸出。一、調(diào)頻式測(cè)量電路一、調(diào)頻式測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路常用測(cè)量電路：常用測(cè)量電路：調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙電路、二極管雙T形交流電形交流電橋、環(huán)形二極管充放電電路、橋、環(huán)形二極管充放電電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。脈沖寬度調(diào)制電路等

16、。Cxf振蕩器振蕩器uf限幅限幅放大器放大器uL鑒頻器鑒頻器調(diào)頻測(cè)量電路中電容式傳感器作為調(diào)頻測(cè)量電路中電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分振蕩器諧振回路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)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。率就發(fā)生變化。若用頻率直接作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出若用頻率直接作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，來判斷被測(cè)非電量的大小，具有非量，來判斷被測(cè)非電量的大小，具有非線性、不易校正等問題。線性、不易校正等問題。因此，加入鑒頻器，頻率變化轉(zhuǎn)換因此，加入鑒頻器，頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅變化來輸出。為電壓振幅變化來輸出。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為

17、率為 一、調(diào)頻式測(cè)量電路一、調(diào)頻式測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度，調(diào)頻測(cè)量電路具有較高的靈敏度， 可測(cè)量高至可測(cè)量高至0.01m級(jí)位移變化量。級(jí)位移變化量。信號(hào)輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，信號(hào)輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)， 可實(shí)可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。現(xiàn)遙測(cè)遙控。 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，振蕩器頻率變化為器頻率變化為 LCf21振蕩回路的總電容，振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，C1為振蕩回為振蕩回路固有電容路固有電容, C2為傳感器引為傳感器引線分布電容線分布電容, Cx=C0

18、C為為傳感器的電容。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)，C=0，則振蕩器有一個(gè)固，則振蕩器有一個(gè)固有頻率為有頻率為L(zhǎng)CCCf)(210210ffLCCCCf0021)(21運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大，輸入阻抗高輸入阻抗高, 可作為電容式傳感可作為電容式傳感器的理想測(cè)量電路。器的理想測(cè)量電路。二、運(yùn)算放大器測(cè)量電路二、運(yùn)算放大器測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路運(yùn)算放大器電路輸出電壓為運(yùn)算放大器電路輸出電壓為 cxicxcbxcxcbiIIIICjIUCjIU0;ixoUCCU測(cè)量電路測(cè)量電路輸出電壓的相位與電輸出電壓的相位與電源電壓源電壓的的反相。反相。設(shè)設(shè)

19、Cx為電容式傳感器電容；為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓是交流電源電壓; Uo是輸出信是輸出信號(hào)電壓號(hào)電壓; 是虛地點(diǎn)。運(yùn)算放大是虛地點(diǎn)。運(yùn)算放大器輸入電流可認(rèn)為零，根據(jù)克器輸入電流可認(rèn)為零，根據(jù)克希荷夫定律有希荷夫定律有平行平板電容傳感器，則平行平板電容傳感器，則二、運(yùn)算放大器測(cè)量電路二、運(yùn)算放大器測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路實(shí)際上實(shí)際上運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器測(cè)量電路仍測(cè)量電路仍然存在一定的非線性。然存在一定的非線性。為保證儀器精度，除了要求運(yùn)為保證儀器精度，除了要求運(yùn)算放大器阻抗和放大倍數(shù)足夠大外，算放大器阻抗和放大倍數(shù)足夠大外，還要求電源電壓的幅值和固定電容還要求電源電壓的幅

20、值和固定電容值非常穩(wěn)定。值非常穩(wěn)定。 dACxdACUUio運(yùn)算放大器的輸出電壓與極運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。板間距離成線性關(guān)系。在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下，運(yùn)輸入阻抗無限大的條件下，運(yùn)算放大器電路解決了變極距型算放大器電路解決了變極距型電容傳感器的非線性問題。電容傳感器的非線性問題。 二極管雙二極管雙T形交流電橋電路中，形交流電橋電路中，e為高頻電源，提供了幅值為為高頻電源，提供了幅值為U的對(duì)的對(duì)稱方波，稱方波，VD1、VD2為特性完全相同為特性完全相同的兩只二極管，的兩只二極管，R1、R2為阻值相等為阻值相等的兩個(gè)固定電阻，的兩

21、個(gè)固定電阻，C1、C2為傳感器為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。的兩個(gè)差動(dòng)電容。 三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋5.3 電容式傳感器測(cè)量電路（1）傳感器沒有輸入）傳感器沒有輸入C1=C2當(dāng)當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)導(dǎo)通、通、VD2截止，則電容截止，則電容C1被以極短的被以極短的時(shí)間充電至?xí)r間充電至U。在前負(fù)半周時(shí)，電容。在前負(fù)半周時(shí)，電容C2已經(jīng)充電至電壓已經(jīng)充電至電壓U。1 1、電路基本結(jié)構(gòu)、電路基本結(jié)構(gòu) 2 2、基本工作原理、基本工作原理 三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋5.3 電容式傳感器測(cè)量電路（1）傳感器沒有輸入時(shí)）傳感器沒有輸入時(shí)C

22、1=C2電源經(jīng)電源經(jīng)R1以以I1向向RL供電，而電容供電，而電容C2經(jīng)電阻經(jīng)電阻R2和負(fù)載電阻和負(fù)載電阻RL放電，流過放電，流過RL的的電流為電流為I2。流過。流過RL的總電流的總電流IL為為I1和和I2的的代數(shù)和。代數(shù)和。2 2、基本工作原理、基本工作原理 同理，當(dāng)同理，當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，流過負(fù)載電為負(fù)半周時(shí)，流過負(fù)載電阻阻RL的電流為的電流為I1和和I2的代數(shù)和。的代數(shù)和。根據(jù)所給的條件，在一個(gè)周期內(nèi)流根據(jù)所給的條件，在一個(gè)周期內(nèi)流過負(fù)載電阻上平均電流過負(fù)載電阻上平均電流I1=I2、I1=I2且方且方向相反，流過向相反，流過RL的平均電流為零。的平均電流為零。三、二極管雙三、二極管雙T T形

23、交流電橋形交流電橋5.3 電容式傳感器測(cè)量電路（2）傳感器有輸入時(shí)）傳感器有輸入時(shí)C1C2若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0，則，則C1C2, I1I2, 在一個(gè)周期內(nèi)通過在一個(gè)周期內(nèi)通過RL上的平均上的平均電流不為零。因此，輸出電壓在一個(gè)電流不為零。因此，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為周期內(nèi)平均值為 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )()()2()()(121021CCUfRRRRRRRdttItITRIULLLLTLLo輸出電壓既與電源幅值和頻率輸出電壓既與電源幅值和頻率f 有有關(guān)，又與電容關(guān)，又與電容C1和和C2的差值有關(guān)。的差值有關(guān)。三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋

24、5.3 電容式傳感器測(cè)量電路（2）傳感器有輸入時(shí)）傳感器有輸入時(shí)C1C2當(dāng)當(dāng)RL一定時(shí)，引入常數(shù)一定時(shí)，引入常數(shù)M，在一，在一個(gè)周期內(nèi)輸出電壓平均值可簡(jiǎn)寫為個(gè)周期內(nèi)輸出電壓平均值可簡(jiǎn)寫為 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )(21CCMUfUo當(dāng)電源確定后，輸出電壓是電容當(dāng)電源確定后，輸出電壓是電容C1和和C2的函數(shù)。的函數(shù)。（3）雙）雙T電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn)線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；容的影響；電源周期、幅值影響電源周期、幅值影響靈敏度，要求高度穩(wěn)定；靈敏度，要求高度穩(wěn)定；輸出阻抗與電容無

25、關(guān)，輸出阻抗與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性適用于具有線性特性的差動(dòng)式傳感器。的差動(dòng)式傳感器。在環(huán)形二極管充放電法測(cè)量在環(huán)形二極管充放電法測(cè)量電容電路中，高頻方波信號(hào)源，電容電路中，高頻方波信號(hào)源，通過環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電通過環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電，環(huán)形二極管電橋容進(jìn)行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測(cè)電容成正比的微輸出一個(gè)與被測(cè)電容成正比的微安級(jí)電流。安級(jí)電流。四、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路四、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路1 1、電路基本結(jié)構(gòu)、電路基本結(jié)構(gòu) 輸入方波加在電橋的輸入方波加在電

26、橋的A點(diǎn)和點(diǎn)和地之間，地之間，Cx為被測(cè)電容，為被測(cè)電容，Cd為平為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容，容，C為濾波電容，為濾波電容，A為直流電為直流電流表。流表。二極管雙二極管雙T形交流電橋的改進(jìn)形交流電橋的改進(jìn)（1）當(dāng)輸入的方波由當(dāng)輸入的方波由E1躍變到躍變到E2時(shí)，電容時(shí)，電容Cx和和Cd兩端的電壓皆由兩端的電壓皆由E1充充電到電到E2。電容電容Cx的充電電流為的充電電流為i1，Cd的充電的充電電流為電流為i3。在充電過程中。在充電過程中T1這段時(shí)間內(nèi)，這段時(shí)間內(nèi)，VD2、VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)，由一直處于截止?fàn)顟B(tài)，由A點(diǎn)向點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為

27、四、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路四、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路在放電過程中在放電過程中T2這段時(shí)這段時(shí)間內(nèi)，間內(nèi)，VD1、VD3截止，由截止，由C點(diǎn)向點(diǎn)向A點(diǎn)流過的電荷量為點(diǎn)流過的電荷量為2 2、基本工作原理、基本工作原理 )(121EECqd（2）當(dāng)輸入的方波由當(dāng)輸入的方波由E2返回到返回到E1時(shí)，時(shí)，Cx、Cd放電，兩端的電壓由放電，兩端的電壓由E2下下降到降到E1，放電電流分別為，放電電流分別為i2和和i4。)(122EECqx（3）設(shè)方波的頻率設(shè)方波的頻率f=1/T0即每秒即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù)，由鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù)，由C點(diǎn)點(diǎn)流向流向A點(diǎn)的平均電

28、流為點(diǎn)的平均電流為I2, 從從A點(diǎn)流向點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為點(diǎn)的平均電流為I3, 流過從流過從C至至A支路的支路的瞬時(shí)電流平均值為瞬時(shí)電流平均值為四、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路四、環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路環(huán)形二極管充放電測(cè)量環(huán)形二極管充放電測(cè)量電路的輸出電流電路的輸出電流I正比于傳感正比于傳感器電容值的增量器電容值的增量Cx。 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )()()(121232dxdxCCEfEEfCEEfCIII（4）令令Cx的初始值為的初始值為C0，Cx為為Cx的增量，的增量，Cx=C0+Cx。初始調(diào)節(jié)初始調(diào)節(jié)Cd=C0，則有，則有xdxCEfCCEfI

29、)(差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，通過對(duì)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，通過對(duì)傳感器電容的充放電，使電路輸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出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化?；兓Ｍㄟ^低通濾波器，被測(cè)量的通過低通濾波器，被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)輸出。變化轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)輸出。五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平，則觸發(fā)器通過端為高電平，則觸發(fā)器通過R1對(duì)對(duì)Cx1充電。充電。2 2、基本工作原理、基本工作原理 1 1、電路基本結(jié)構(gòu)、電路基本結(jié)構(gòu) Cx1、Cx2為差動(dòng)式傳感器的兩為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)

30、電容；個(gè)電容；A1、A2是兩個(gè)比較器，是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。為其參考電壓。當(dāng)當(dāng)F點(diǎn)電位點(diǎn)電位UF升到與參考電壓升到與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器相等時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一脈沖產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使Q端為低電平。端為低電平。此時(shí)，電容此時(shí)，電容Cx1通過二極管通過二極管VD1迅迅速放電至零，而觸發(fā)器經(jīng)速放電至零，而觸發(fā)器經(jīng)R2向向C2充電。充電。五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路2 2、基本工作原理、基本工作原理 當(dāng)當(dāng)G點(diǎn)電位點(diǎn)電位UG與參考電壓與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器相等時(shí)，比較器A2輸出一脈沖使輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。此

31、時(shí)，電容觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。此時(shí)，電容Cx2通過通過二極管二極管VD2迅速放電至零。迅速放電至零。如此交替激勵(lì)。如此交替激勵(lì)。因此，電路充放電的時(shí)間，因此，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容電容Cx1、Cx2的調(diào)制。的調(diào)制。（1）當(dāng)當(dāng)Cx1=Cx2時(shí)，觸發(fā)器兩端電時(shí)，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度平的脈沖寬度T1和和T2相等，測(cè)量電路相等，測(cè)量電路在一個(gè)周期在一個(gè)周期T=T1+T2時(shí)間內(nèi)輸出平均電時(shí)間內(nèi)輸出平均電壓為零。壓為零。五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （2）當(dāng)當(dāng)Cx1Cx2時(shí)，

32、時(shí)，C1和和C2充放電充放電時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化，觸發(fā)器兩端電平時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度的脈沖寬度T1和和T2不相等，測(cè)量電路不相等，測(cè)量電路在一個(gè)周期在一個(gè)周期T=T1+T2時(shí)間內(nèi)輸出平均電時(shí)間內(nèi)輸出平均電壓為壓為21211TTTTUUUUBAo五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路五、脈沖寬度調(diào)制測(cè)量電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （3）在一個(gè)周期內(nèi)輸出平均電在一個(gè)周期內(nèi)輸出平均電壓與傳感器電容的關(guān)系為壓與傳感器電容的關(guān)系為12121UCCCCUxxxxo對(duì)差動(dòng)變極距型平行板電容傳感器有對(duì)差動(dòng)變極距型平行板電容傳感器有1012121UddUddddUo同

33、理，變面積型電容傳感器有同理，變面積型電容傳感器有1012121UAAUAAAAUo因此，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電因此，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于差動(dòng)電容式傳感器，并路適用于差動(dòng)電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。具有理論上的線性特性。電路采用直流電源，電壓穩(wěn)電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求；的要求；經(jīng)低通放大器可輸出較大的經(jīng)低通放大器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。要求也不高。 第五章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳

34、感器等效電路5.3 電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器測(cè)量電路5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳電子技術(shù)的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問題，使電容式傳感器存在的許多技術(shù)問題，使電容式傳感器應(yīng)用廣泛。感器應(yīng)用廣泛。精確測(cè)量：精確測(cè)量：位移、厚度、角度、振位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量；力、壓力、差壓、流量、動(dòng)等物理量；力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)。成分、液位等參數(shù)。在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用在自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中也常常用來作為來作為位置信號(hào)發(fā)生器位置信號(hào)發(fā)生器。 一、電容式壓力傳感器一、電容式壓力傳感器5.4 電容式傳感器應(yīng)用 P差動(dòng)型電容式壓力差