第5章 電容式傳感器

1、電氣信息學院電氣信息學院傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第五章 電容式傳感器 電氣信息學院電氣信息學院傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第五章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結構電容式傳感器工作原理和結構5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路5.4 電容式傳感器應用電容式傳感器應用 傳感器原理及應用傳感器原理及應用電容極板間介質的介電常數(shù)，電容極板間介質的介電常數(shù)，0為真為真空介電常數(shù)，空介電常數(shù)，r極板間介質的相對介電常數(shù)；極板間介質的相對介電常數(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

2、間的距離。的距離。 兩個平行金屬板組成的平板電容器，兩個平行金屬板組成的平板電容器，不考慮邊緣效應時電容量為不考慮邊緣效應時電容量為 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構dAdACr0d d極板極板1極板極板2被測參數(shù)變化被測參數(shù)變化A、d或或發(fā)生變化時，發(fā)生變化時，電容量電容量C也隨之變化。也隨之變化。僅改變一個參數(shù)，僅改變一個參數(shù)，該參數(shù)的變化可轉換為該參數(shù)的變化可轉換為電容量的變化，通過測電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量量電路就可轉換為電量輸出。輸出。傳感器原理及應用傳感器原理及應用傳感器原理及應用傳感器原理及應用電容式傳感器的三種類型：電容式傳感器

3、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構傳感器原理及應用傳感器原理及應用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構200000000111 ddddCddCddSCCCrd/d01時，時，1-(d/d0)21，則，則000ddCCCC與與d近似呈線性關系。變極距近似呈線性關系。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，才有

4、近似的線性關系。時，才有近似的線性關系。1 1、基本輸出特性、基本輸出特性傳感器原理及應用傳感器原理及應用0001ddddCC電容的相對變化量為電容的相對變化量為 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構當當|d/d0|1時，級數(shù)展開有時，級數(shù)展開有 輸出電容的相對變化量與輸輸出電容的相對變化量與輸入位移之間成非線性關系。入位移之間成非線性關系。傳感器的相對非線性誤差：傳感器的相對非線性誤差： 2 2、非線性特性、非線性特性 30200001ddddddddCC%100%100|/|)/(0020dddddd傳感器原理及應用傳感器原理及應用電容傳感器的靈敏

5、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構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變化的大小與電容相對變化的大小與d0呈反比呈反比關系。關系。 當當|d/d0|1時有近似線性關時有近似線性關系系 2 2、非線性特性、非線性特性00ddCC要提高靈敏度，應減小起始要提高靈敏度，應減小起始間隙間隙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

6、距離在極板間距離在25200m的范圍內。的范圍內。最大位移應小于間距的最大位移應小于間距的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量中應用最廣。移測量中應用最廣。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用在差動式平板電容器中，當動極在差動式平板電容器中，當動極板位移板位移d時，電容器時，電容器C1的間隙的間隙d1變?yōu)樽優(yōu)閐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構在實際應用中，為了提高靈敏度，在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結減小非線性誤差，大都采用差

7、動式結構。構。4 4、差動式結構、差動式結構002001/11/11ddCCddCCC1 d1C2 d2傳感器原理及應用傳感器原理及應用電容值相對變化量為電容值相對變化量為 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構40200012ddddddCC略去高次項，則略去高次項，則C/C0與與d/d0近似線性關系為近似線性關系為電容值總的變化量為電容值總的變化量為 4 4、差動式結構、差動式結構 503000212ddddddCCCCC1 d1C2 d2002ddCC傳感器原理及應用傳感器原理及應用差動式傳感器的靈敏度為差動式傳感器的靈敏度為二、變極距型電容傳感器

8、二、變極距型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結構差動式傳感器的相對非線性誤差差動式傳感器的相對非線性誤差近似為近似為 4 4、差動式結構、差動式結構%100%100|/|2|)/( |220030 ddddddC1 d1C2 d2002/ddCCK差動式結構的電容傳感器非線性差動式結構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。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第5章章 電容式傳感器電容式傳感器 變極距型電容傳感器只有在變極距型電容傳感器只有在|d/d| 很小很小(小測量范圍小測量范圍)時，時，才有近似的才有近似的線性輸出線性輸出； 欲提高靈敏

9、度，應減小間隙欲提高靈敏度，應減小間隙d，但，但d的減小，一是將的減小，一是將增增大非線性大非線性，二是也會受到電容器，二是也會受到電容器擊穿電壓的影響擊穿電壓的影響； 為改善非線性，可以采用為改善非線性，可以采用差動式差動式。傳感器原理及應用傳感器原理及應用兩種常用變面積型電容傳感器：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構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系。性關系。 被測量通過動極板移動引起兩極被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積改變，

10、產生電容量的板有效覆蓋面積改變，產生電容量的變化。當動極板相對于定極板平移變化。當動極板相對于定極板平移x時，則電容相對變化量為時，則電容相對變化量為 1 1、平行平板線位移式、平行平板線位移式傳感器原理及應用傳感器原理及應用初始電容初始電容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構LaCCCCC000傳感器的電容量與內筒線位移呈傳感器的電容量與內筒線位移呈線性關系。線性關系。 當覆蓋長度變化時，電容量也隨當覆蓋長度變化時，電容量也隨之變化。當內筒上移為之變化。當內筒上移為a 時，內外筒時，內外筒間的電容相對變化量為間的電容相對變化量為 2 2、同軸

11、圓筒線位移式、同軸圓筒線位移式DdLadDLCln20傳感器原理及應用傳感器原理及應用初始電容初始電容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構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系。關系。 當動極板有一個角位移當動極板有一個角位移時，與時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(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。電容相對變化量為相對變化量為 3 3、角位移式、角位移式000dAC傳感器原理及應用傳感器原理及應用 增大介電常數(shù)增大介電常數(shù)、極板邊長極板邊長b

12、或或減小極板間距減小極板間距d，都可以，都可以提高傳感器的靈敏度；提高傳感器的靈敏度； 極板寬度極板寬度a的大小不影響靈敏度，但的大小不影響靈敏度，但不能太小不能太小，否則，否則邊邊緣電場緣電場影響增大，非線性將增大；影響增大，非線性將增大； X變化不能太大變化不能太大，否則邊緣效應會使傳感器特性產生，否則邊緣效應會使傳感器特性產生非線性變化。非線性變化。 0rbCkxd 第第5章章 電容式傳感器電容式傳感器變面積式電容傳感器輸出是變面積式電容傳感器輸出是線性線性的，靈敏度為一常數(shù)。的，靈敏度為一常數(shù)。傳感器原理及應用傳感器原理及應用為了提高靈敏度和克服極板的邊緣效應，改善非線性?？刹蔀榱颂岣?/p>

13、靈敏度和克服極板的邊緣效應，改善非線性。可采用如圖所示的用如圖所示的差動式差動式變面積型傳感器。變面積型傳感器。該傳感器有三個極板，上面的為可動電極，也是公共電極，該傳感器有三個極板，上面的為可動電極，也是公共電極，它與兩個固定電極分別電容它與兩個固定電極分別電容 C1 和和 C2，當可動電極向右（或，當可動電極向右（或向左）移動時，電容向左）移動時，電容C1減小減?。ɑ蛟黾樱?，而電容（或增加），而電容C2增加增加（或減?。?，差動輸出，（或減小），差動輸出，提高了靈敏度，非線性提高了靈敏度，非線性得到改善。得到改善。傳感器原理及應用傳感器原理及應用2()b lxCd 1()b lxCd ()(

14、)2b lxb lxb xCddd2Cbkxd傳感器原理及應用傳感器原理及應用第5章 電容式傳感器圖示為平板形線位移傳感器結構原理圖，設平行板面積為S=Lb，在忽略邊緣效應時，當電容器內無介電常數(shù)為1的電介質時，電容器的電容為插入介電常數(shù)為1的電介質時，電容器的電容變?yōu)?0001SLbCddd三、變介電常數(shù)型電容傳感器三、變介電常數(shù)型電容傳感器 0101001200101100101()()()Lx bd CxbCCCCxdddddd L電容電容C與介電常數(shù)為與介電常數(shù)為1的電介質的位移的電介質的位移x成線性關系成線性關系傳感器原理及應用傳感器原理及應用設固定極板長度為設固定極板長度為a、寬度

15、為、寬度為b、兩極、兩極板間的距離為板間的距離為d；被測物的厚度和介電常；被測物的厚度和介電常數(shù)分別為數(shù)分別為dx和和, 則則四、變介質型電容傳感器四、變介質型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結構傳感器的電容量與被測量物體的厚度傳感器的電容量與被測量物體的厚度和介電常數(shù)有關。和介電常數(shù)有關。當介電常數(shù)一定時，通過傳感器電容當介電常數(shù)一定時，通過傳感器電容量的變化測量物體的厚度。量的變化測量物體的厚度。 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傳感器原理及應用傳感器原理及應用設極板寬度為設極板寬度為b，板間無介質，板間無

16、介質2時，傳感器的電容量時，傳感器的電容量四、變介質型電容傳感器四、變介質型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結構121221111ddxlbddbxCCCBA傳感器的電容量與位移呈線性關系。傳感器的電容量與位移呈線性關系。 插入介質插入介質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傳感器原理及應用傳感器原理及應用設被測介質的介電常數(shù)為設被測介質的介電常數(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，內筒外徑為，內筒外徑為d，外筒內徑為外筒內徑為D，變換器電容值為，變換器電容

17、值為 四、變介質型電容傳感器四、變介質型電容傳感器5.1 電容式傳感器工作原理和結構變換器的電容增量正比于被測液位高度。變換器的電容增量正比于被測液位高度。3 3、測量液位圓筒式電容傳感器、測量液位圓筒式電容傳感器 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111C2C1C傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第五章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結構電容式傳感器工作原理和結構5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路5.4 電容式傳感器應用電容式傳感器應用 傳感器原理及應用傳感器原理及應用

18、考慮了電容器的損耗和電感效應，考慮了電容器的損耗和電感效應，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諧振頻率，通傳感器有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。當工作頻率常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧等于或接近諧振頻率時，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，工作頻率應該選擇低因此，工作頻率應該選擇低于諧振頻率。于諧振頻率。 并聯(lián)損耗電阻并聯(lián)損耗電阻Rp：表示極板間的泄漏電阻和介質損耗。表示極板間的泄漏電阻和介質損耗。并聯(lián)損耗低頻

19、時影響大，隨著工作頻率并聯(lián)損耗低頻時影響大，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。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第五章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結構電容式傳感器工作原理和結構5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路5.4 電容式傳感器應用電容式傳感器應用 傳感器原理及應用傳感器原理及應用與電感傳感器不同，電與電感

20、傳感器不同，電容傳感器中電容值和電容變容傳感器中電容值和電容變化量都十分微小，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，需要一些測量電因此，需要一些測量電路檢測出電容的微小變化量，路檢測出電容的微小變化量，并轉換成相應的電壓、電流并轉換成相應的電壓、電流或頻率輸出?；蝾l率輸出。一、調頻式測量電路一、調頻式測量電路5.3 電容式傳感器測量電路常用測量電路：常用測量電路：調頻電路、運算放大器調頻電路、運算放大器電路、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、脈沖寬度調制電路等。脈沖寬度調制電路等。Cxf振蕩器振蕩

21、器uf限幅限幅放大器放大器uL鑒頻器鑒頻器調頻測量電路中電容式傳感器作為調頻測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, 當輸入量導當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻致電容量發(fā)生變化時，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量系統(tǒng)的輸出若用頻率直接作為測量系統(tǒng)的輸出量，來判斷被測非電量的大小，具有非量，來判斷被測非電量的大小，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，頻率變化轉換因此，加入鑒頻器，頻率變化轉換為電壓振幅變化來輸出。為電壓振幅變化來輸出。傳感器原理及應用傳感器原理及應用調頻振蕩器的振蕩頻調頻振蕩

22、器的振蕩頻率為率為 一、調頻式測量電路一、調頻式測量電路5.3 電容式傳感器測量電路調頻測量電路具有較高的靈敏度，調頻測量電路具有較高的靈敏度， 可測量高至可測量高至0.01m級位移變化量。級位移變化量。信號輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，信號輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強，并與計算機通訊，抗干擾能力強， 可實可實現(xiàn)遙測遙控?，F(xiàn)遙測遙控。 當被測信號不為當被測信號不為0時，時，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

23、, Cx=C0C為為傳感器的電容。傳感器的電容。 當被測信號為當被測信號為0時，時，C=0，則振蕩器有一，則振蕩器有一個固有頻率為個固有頻率為LCCCf)(210210ffLCCCCf0021)(21傳感器原理及應用傳感器原理及應用運算放大器的放大倍數(shù)大，運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量電路。器的理想測量電路。二、運算放大器測量電路二、運算放大器測量電路5.3 電容式傳感器測量電路運算放大器電路輸出電壓為運算放大器電路輸出電壓為 cxicxcbxcxcbiIIIICjIUCjIU0;ixoUCCU測量電路輸出電壓的相位與電測量電路輸出

24、電壓的相位與電源電壓的反相。源電壓的反相。設設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電壓號電壓; 是虛地點。運算放大是虛地點。運算放大器輸入電流可認為零，根據(jù)克器輸入電流可認為零，根據(jù)克希荷夫定律有希荷夫定律有傳感器原理及應用傳感器原理及應用平行平板電容傳感器，則平行平板電容傳感器，則二、運算放大器測量電路二、運算放大器測量電路5.3 電容式傳感器測量電路實際上運算放大器測量電路仍實際上運算放大器測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，除了要求運為保證儀器精度，除了要求運算放大器阻抗和放大倍數(shù)足夠大外，算

25、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值和固定電容值非常穩(wěn)定。值非常穩(wěn)定。 dACxdACUUio運算放大器的輸出電壓與極運算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關系。板間距離成線性關系。在運算放大器的放大倍數(shù)和在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下，運輸入阻抗無限大的條件下，運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。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用二極管雙二極管雙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的對的對稱方波，稱方波，VD1、V

26、D2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固定電阻，的兩個固定電阻，C1、C2為傳感器為傳感器的兩個差動電容。的兩個差動電容。 三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋5.3 電容式傳感器測量電路（1）傳感器沒有輸入）傳感器沒有輸入C1=C2當當e為正半周時，二極管為正半周時，二極管VD1導導通、通、VD2截止，則電容截止，則電容C1被以極短的被以極短的時間充電至時間充電至U。在前負半周時，電容。在前負半周時，電容C2已經(jīng)充電至電壓已經(jīng)充電至電壓U。1 1、電路基本結構、電路基本結構 2 2、基本工作原理、基本工作原理 傳感器原理

27、及應用傳感器原理及應用三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋5.3 電容式傳感器測量電路（1）傳感器沒有輸入時）傳感器沒有輸入時C1=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和負載電阻和負載電阻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，當同理，當e為負半周時，流過負載電為負半周時，流過負載電阻阻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，在一個周期內流根據(jù)所給的條件，在一個周期內流過負載電阻上平均電流

28、過負載電阻上平均電流I1=I2、I1=I2且方向相反，流過且方向相反，流過RL的平均電流為零。的平均電流為零。傳感器原理及應用傳感器原理及應用三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋5.3 電容式傳感器測量電路（2）傳感器有輸入時）傳感器有輸入時C1C2若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0，則，則C1C2, I1I2, 在一個周期內通過在一個周期內通過RL上的平均上的平均電流不為零。因此，輸出電壓在一個電流不為零。因此，輸出電壓在一個周期內平均值為周期內平均值為 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )()()2()()(121021CCUfRRRRRRRdttItITRIULLLLTL

29、Lo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，又與電容關，又與電容C1和和C2的差值有關。的差值有關。傳感器原理及應用傳感器原理及應用三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋5.3 電容式傳感器測量電路（2）傳感器有輸入時）傳感器有輸入時C1C2當當RL一定時，引入常數(shù)一定時，引入常數(shù)M，在一，在一個周期內輸出電壓平均值可簡寫為個周期內輸出電壓平均值可簡寫為 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )(21CCMUfUo當電源確定后，輸出電壓是電容當電源確定后，輸出電壓是電容C1和和C2的函數(shù)。的函數(shù)。（3）雙）雙T電路的特點電路的特點線路簡單，可全部放在探頭內，線

30、路簡單，可全部放在探頭內，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；輸出阻抗與電容無關，輸出阻抗與電容無關，克服了電容式傳感器高內阻克服了電容式傳感器高內阻的缺點；的缺點；適用于具有線性特性適用于具有線性特性的單組式和差動式傳感器。的單組式和差動式傳感器。傳感器原理及應用傳感器原理及應用在環(huán)形二極管充放電法測量在環(huán)形二極管充放電法測量電容電路中，高頻方波信號源，電容電路中，高頻方波信號源，通過環(huán)形二極管電橋，對被測電通過環(huán)形二極管電橋，對被測電容進行充放電，環(huán)形二極管電橋容

31、進行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電容成正比的微輸出一個與被測電容成正比的微安級電流。安級電流。四、環(huán)形二極管充放電測量電路四、環(huán)形二極管充放電測量電路5.3 電容式傳感器測量電路1 1、電路基本結構、電路基本結構 輸入方波加在電橋的輸入方波加在電橋的A點和點和地之間，地之間，Cx為被測電容，為被測電容，Cd為平為平衡電容傳感器初始電容的調零電衡電容傳感器初始電容的調零電容，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形交流電橋的改進形交流電橋的改進傳感器原理及應用傳感器原理及應用（1）當輸入的方波由當輸入的方波由E1躍變到躍變到E2時，電容時，電容Cx

32、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這段時間內，這段時間內，VD2、VD4一直處于截止狀態(tài)，由一直處于截止狀態(tài)，由A點向點向C點流動的電荷量為點流動的電荷量為四、環(huán)形二極管充放電測量電路四、環(huán)形二極管充放電測量電路5.3 電容式傳感器測量電路在放電過程中在放電過程中T2這段時這段時間內，間內，VD1、VD3截止，由截止，由C點向點向A點流過的電荷量為點流過的電荷量為2 2、基本工作原理、基本工作原理 )(121EECqd（2）當輸入的方波由當輸入的方波由E2返回到返回

33、到E1時，時，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傳感器原理及應用傳感器原理及應用（3）設方波的頻率設方波的頻率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點點流向流向A點的平均電流為點的平均電流為I2, 從從A點流向點流向C點的平均電流為點的平均電流為I3, 流過從流過從C至至A支路的支路的瞬時電流平均值為瞬時電流平均值為四、環(huán)形二極管充放電測量電路四、環(huán)形二極管充放電測量電路5.3 電容式傳感器測量電路環(huán)形二極管充放電測量環(huán)形二極管充放電測量電路的輸出電

34、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。初始調節(jié)初始調節(jié)Cd=C0，則有，則有xdxCEfCCEfI)(傳感器原理及應用傳感器原理及應用差動脈沖調寬電路，通過對差動脈沖調寬電路，通過對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?。通過低通濾波器，被測量的通過低通濾波器，被測量的變化轉換為直流信號

35、輸出。變化轉換為直流信號輸出。五、脈沖寬度調制測量電路五、脈沖寬度調制測量電路5.3 電容式傳感器測量電路當接通電源后，若觸發(fā)器當接通電源后，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對對Cx1充電。充電。2 2、基本工作原理、基本工作原理 1 1、電路基本結構、電路基本結構 Cx1、Cx2為差動式傳感器的兩為差動式傳感器的兩個電容；若用單組式，則其中一個電容；若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；器電容初始值相等；A1、A2是兩是兩個比較器，個比較器，Ur為其參考電壓。為其參考電壓。傳感器原理及應用傳感器原理及應用當

36、當F點電位點電位UF升到與參考電壓升到與參考電壓Ur相等時，比較器相等時，比較器A1產生一脈沖產生一脈沖使觸發(fā)器翻轉，使使觸發(fā)器翻轉，使Q端為低電平。端為低電平。此時，電容此時，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、脈沖寬度調制測量電路五、脈沖寬度調制測量電路5.3 電容式傳感器測量電路2 2、基本工作原理、基本工作原理 當當G點電位點電位UG與參考電壓與參考電壓Ur相等時，比較器相等時，比較器A2輸出一脈沖使輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉。此時，電容觸發(fā)器翻轉。此時，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

37、零。如此交替激勵。如此交替激勵。因此，電路充放電的時間，因此，電路充放電的時間，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的調制。的調制。傳感器原理及應用傳感器原理及應用（1）當當Cx1=Cx2時，觸發(fā)器兩端電時，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，測量電路相等，測量電路在一個周期在一個周期T=T1+T2時間內輸出平均電時間內輸出平均電壓為零。壓為零。五、脈沖寬度調制測量電路五、脈沖寬度調制測量電路5.3 電容式傳感器測量電路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （2）當當Cx1Cx2時，時，C1和和C2充放電充放電時間常數(shù)發(fā)生變化，觸發(fā)器兩

38、端電平時間常數(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，測量電路不相等，測量電路在一個周期在一個周期T=T1+T2時間內輸出平均電時間內輸出平均電壓為壓為21211TTTTUUUUBAo傳感器原理及應用傳感器原理及應用五、脈沖寬度調制測量電路五、脈沖寬度調制測量電路5.3 電容式傳感器測量電路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （3）在一個周期內輸出平均電在一個周期內輸出平均電壓與傳感器電容的關系為壓與傳感器電容的關系為12121UCCCCUxxxxo對差動變極距型平行板電容傳感器有對差動變極距型平行板電容傳感器有1012121UddUddddUo同理，變面積型電容傳感器

39、有同理，變面積型電容傳感器有1012121UAAUAAAAUo因此，差動脈沖寬度調制電因此，差動脈沖寬度調制電路適用于差動電容式傳感器，并路適用于差動電容式傳感器，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，也不需要相敏檢波與解的要求，也不需要相敏檢波與解調等；無元件線性要求；經(jīng)低通調等；無元件線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出大的直流電壓，對濾波器可輸出大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。輸出矩形波的純度要求也不高。傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第五章 電容式傳感器 5.1

40、 電容式傳感器工作原理和結構電容式傳感器工作原理和結構5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路5.4 電容式傳感器應用電容式傳感器應用 傳感器原理及應用傳感器原理及應用電子技術的發(fā)展，解決了電容式傳電子技術的發(fā)展，解決了電容式傳感器存在的許多技術問題，使電容式傳感器存在的許多技術問題，使電容式傳感器應用廣泛。感器應用廣泛。精確測量：精確測量：位移、厚度、角度、振位移、厚度、角度、振動等物理量；力、壓力、差壓、流量、動等物理量；力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù)。成分、液位等參數(shù)。在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為來作為位置信號發(fā)生器位置信號發(fā)生器。 一、電容式壓力傳感器一、電容式壓力傳感器5.4 電容式傳感器應用 P差動型電容式壓力差動型電容式壓力/壓差傳感器：壓差傳感器：當被測壓力或壓力差作用于膜片并當被測壓力或壓力差作用于膜片并產生位移時，兩個電容器的電容量，一產生位移時，兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。個增大，一個減小。電容值的變化經(jīng)測量電電容值的變化經(jīng)測量電路轉換成與壓力或壓力差相路轉換成與壓力或壓力差相對應的電