項目四 電容式傳感器

電容式傳感器電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的一種傳感器。它廣泛應用于位移、振動、角度、壓力、液位、成分含量等方面的測量。電容式傳感器的特點

結(jié)構(gòu)簡單，體積小，零漂小，動態(tài)響應快，靈敏度高，易實現(xiàn)非接觸測量，本身發(fā)熱影響小等。隨著電容測量技術(shù)的迅速發(fā)展，電容式傳感器在非電量測量和自動檢測中得到了廣泛的應用。任務(wù)一電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類特征用兩塊金屬平板做電極，以空氣為介質(zhì)，可構(gòu)成最簡單的電容器，如圖41所示。如果不考慮電容器邊緣效應，其電容量為圖4-1平板電容器任務(wù)一電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類特征式中：C為電容量；A為兩平行板所覆蓋的面積；d為兩平行板之間的距離；ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=εrε0；ε0為真空介電常數(shù)，ε0=885×10-12F·m-1；εr為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由式(41)可知，當d、A和ε(或εr)發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變而僅改變其中一個參數(shù)，就可以把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。這就是電容式傳感器的基本工作原理。一、結(jié)構(gòu)類型根據(jù)電容式傳感器的工作原理，在實際應用中，一般可分成三種基本類型，即改變兩極板間距離的變極距(d)型(或稱變間隙型)、改變極板間覆蓋面積的變面積(A)型和改變極板間介質(zhì)的變介電常數(shù)(ε)型。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球形三種。項目四電容式傳感器傳感器與檢測技術(shù)項目化教程一、結(jié)構(gòu)類型

圖4-2所示為常用電容器的結(jié)構(gòu)形式。其中圖(a)和圖(e)為變極距型，圖(b)~(d)、圖(f)~(h)為變面積型，而圖(i)~(l)則為變介電常數(shù)型。變極距型一般用來測量微小位移(001μm~102μm)；變面積型一般用于測量角位移(1°~100°)或較大線位移；變介電常數(shù)型常用于物位測量及介質(zhì)溫度、密度測量等。其他物理量須轉(zhuǎn)換成電容器的d、A或ε的變化再進行測量。圖4-2電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式圖4-2一、結(jié)構(gòu)類型一、結(jié)構(gòu)類型

圖4-3(a)所示為用于測量壓力的JP312型陶瓷電容式壓力傳感器，此傳感器的性能：量測范圍0~0007MPa，0～20MPa；供應電源500VDC±025VDC；反應時間小于10ms；綜合誤差不大于±01％FS；并具有抗腐蝕、抗磨損、耐沖擊、無遲滯等特點。圖43(b)所示為用于測量料位、液位的ER型電容式傳感器，此傳感器可以用來檢測導電體及非導電體，并可以在非金屬材料的料筒外對料桶內(nèi)的物料進行料位檢測。圖43(c)所示為用來測量加速度的SH105A620型電容式傳感器的實物圖，此傳感器的參數(shù)和特點：測量范圍：±1g， 圖4-3電容式傳感器的實物圖 圖4-3一、結(jié)構(gòu)類型一、結(jié)構(gòu)類型

(a)陶瓷電容式壓力傳感器；(b)電容物位、料位傳感器；(c)電容式加速度傳感器；(d)電容式濕度傳感器±15g，±17g，±3g;具有自測試和故障自檢功能；頻率響應可調(diào)；能承受高沖擊和振動；直接使用，無需外圍額外器件；+5V電源，模擬電壓輸出；具有非常優(yōu)異的溫漂和時漂性能。圖43(d)是用來測量濕度的HS1101型電容式傳感器的實物圖，此傳感器的參數(shù)和特點：高精度2％；極好的線性輸出；1％~99％RH濕度量程；-40℃~100℃的溫度工作范圍;響應時間5s；濕度輸出受溫度影響極?。环栏g性氣體；常溫使用無需溫度補償；無需校準；電容與濕度變化034pF/％RH；長期穩(wěn)定可靠，年漂移量05％RH／年；適用于溫度儀表、家用電器、OA設(shè)備等。二、主要特性1變極距型電容式傳感器圖4-1所示為變極距型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中2為靜止極板(定極板)，而極板1為與被測體相連的動極板。當極板1因被測參數(shù)改變而引起移動時，就改變了兩極板間的距離d，從而改變了兩極板間的電容量C。二、主要特性當傳感器的相對介電常數(shù)εr和相對覆蓋面積A為常數(shù)，初始極距為d0時，其初始電容量為若電容器極板間距離由初始值d0減小了Δd，則電容量增大ΔC，即二、主要特性

由式(4-3)可以看出，傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是如圖4-4所示的曲線關(guān)系。在式(4-3)中，若Δdd0，則式(43)可用泰勒級數(shù)展開得C=C0+ΔC=C01+Δdd0+Δdd02+Δdd03+…即由式(4-4)可知，輸出電容的相對變化ΔCC0與輸入位移Δd之間的關(guān)系是非線性的，當Δd／d01時，可略去其高次項，得到近似線性關(guān)系式為所以，電容式傳感器的靈敏度為其物理意義是單位位移引起的電容量的相對變化量的大小。圖4-4二、主要特性

二、主要特性

則從式(4-6)可以看出，靈敏度K與起始間距d0成反比，要提高靈敏度，應減小起始間距d0。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。因此，可在極板間放置云母片或其他高介電常數(shù)的材料加以改善，如圖4-5所示，此時電容量為(4-7)式中：εg為云母的相對介電常數(shù)；ε0為空氣的介電常數(shù)；d0為空氣隙厚度；dg為云母片的厚度。云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV／mm，而空氣僅為3kV／mm。因此有了云母片，極板間起始間距可大大減小。同時，式(4-7)中的dgε0εg項是恒定值，它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。將式(44)略去二次方以上各項，則得(4-8)圖4-5二、主要特性

二、主要特性

由此得到其相對非線性誤差為(4--9)從式(4-9)可以看出非線性誤差隨著相對位移的增加而增加，減小d0相應地增加了非線性。圖4-4電容量與極板間距離的關(guān)系圖4-5放置云母片的電容器在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。圖4-6所示為變極距型差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，中間為動極板，上下為定極板。當動極板上移Δd時，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-Δd，電容器C2的間隙d2變

圖4-6二、主要特性

二、主要特性

(4-10)(4-11)圖4-6變極矩型差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖在Δd／d01，按泰勒級數(shù)展開得C1=C0[1+(Δd∕d0+Δd∕d0)2+(Δd∕d0)3+…]C2=C0[1-(Δd∕d0+Δd∕d0)2+(Δd∕d0)3+…]電容值總的變化為(4-12)電容的相對變化為二、主要特性

(4-13)略去高次項，則ΔC／C0與Δd／d0近似呈線性關(guān)系，即ΔC∕C0=2Δd∕d0(4-14)傳感器的靈敏度為K=ΔC/C0Δd=2∕d0(4-15)如果只考慮式(4-13)中的線性項和三次項，則差動式電容傳感器的相對非線性誤差近似為δ=|2(Δd/d0)3|∕|2(Δd/d0)|×100%=(Δd∕d0)2×100%(4-16)二、主要特性

比較式(4-6)與式(4-15)及式(4-9)與式(4-16)可見，差動式電容式傳感器比單個電容傳感器的靈敏度提高了1倍，而非線性誤差大大降低了。與此同時，差動式電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并有效地改善了由于環(huán)境影響所造成的誤差。2變面積型電容式傳感器。

(1)線位移式變面積型電容傳感器圖4-7所示為線位移式變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容量的變化。當動極板相對于定極板沿長度方向平移Δx時，在忽略邊緣效應的條件下，改變后的電容量為C′=ε0εrb(a-Δx)d式中：a為極板的寬度；b為極板的長度。電容變化量為(4-17)式中：C0=ε0εrba／d為初始電容圖4-7

(1)線位移式變面積型電容傳感器

(1)線位移式變面積型電容傳感器電容相對變化量為ΔC／C0=-Δx／a靈敏度為（4-18)由式(418)可知線位移式變面積型電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度K為一常數(shù)。增大極板長度b，減小間距d都可以提高靈敏度。但極板寬度a不宜過小，否則會因為邊緣效應的增加影響其線性特性。(2)角位移式變面積型電容傳感器圖4-8所示為角位移式變面積型電容傳感器原理圖。當動極板有一個角位移θ時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生變化，從而改變了兩極板間的電容量。當θ=0°時，兩半圓極板重合，初始電容量為

(1)線位移式變面積型電容傳感器C0=ε0εrA0d0當θ≠0°時，改變后的電容量為

(4-19)電容的變化量為ΔC=C-C0=-C0﹙θ／π﹚

(4-20)靈敏度為K=-ΔC／θ=C0／π(4-21)由式(4-19)與式(4-21)可知，角位移式變面積型電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度K為常數(shù)。圖4-7線位移式變面積型電容傳感器原理圖圖4-8角位移式變面積型電容傳感器原理圖圖4-8

(1)線位移式變面積型電容傳感器當電容極板之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時，電容量也隨之改變，根據(jù)這個原理可構(gòu)成變介質(zhì)型電容式傳感器。變介質(zhì)型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)很多，其中有介質(zhì)本身介電常數(shù)變化的電容式傳感器，利用這類傳感器可以用來測量糧食、紡織品、木材、煤或泥料等非導電固體物質(zhì)的濕度；還有一種情況，其中介質(zhì)本身的介電常數(shù)并沒有變化，但是極板之間的介質(zhì)成分發(fā)生變化，即由一種介質(zhì)變?yōu)閮煞N或兩種以上介質(zhì)，引起電容量變化，利用這類傳感器可以用來測量紙張、絕緣薄膜的厚度或測量位移。

(1)線位移式變面積型電容傳感器(1)介電常數(shù)變化的電容式傳感器1)如果只有一種介質(zhì)，介質(zhì)本身介電常數(shù)變化。圖4-9所示為變介質(zhì)型電音式傳感器的原理圖。極板間只有一種介質(zhì)，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，則初始的電容量為C0=εA／d=ε0εrA／d如果介質(zhì)本身相對介電常數(shù)變化為εr+Δεr，則改變后的電容量為(1)介電常數(shù)變化的電容式傳感器(4-22)電容變化量為ΔC=C-C0=﹙ε0A／dΔεr﹚

(4-23)靈敏度為K=ΔC／Δεr=ε0A／d(4-24)由式(424)可見，只有一種介質(zhì)的變介質(zhì)型電容式傳感器輸出特性是線性的，靈敏度為一常數(shù)。2)含有被測介質(zhì)和空氣兩種介質(zhì)

如測糧食的濕度時，糧食不可能完全占據(jù)兩極板之間的空間，糧食顆粒之間存在空氣，如圖410所示，其中ε0為空氣的介電系數(shù)，εr為被測糧食的相對介電常數(shù)。圖4-9只有一種介質(zhì)的變介2)

含有被測介質(zhì)和空氣兩種介質(zhì)質(zhì)型電容式傳感器圖4-10含有兩種介質(zhì)的變介質(zhì)型電容式傳感器(a)實際情況；(b)等效情況此時相當于兩個電容串聯(lián)，其初始電容量為C0=A／D-d／ε0+d／ε0εr=ε0A／D-d+d／εr圖4-9圖4-102)

含有被測介質(zhì)和空氣兩種介質(zhì)2)

含有被測介質(zhì)和空氣兩種介質(zhì)如果被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)變化為εr+Δεr，則改變后的電容量為(4-25)電容的相對變化量為

(4-26)式中：N2=11+εr(D-d)d,N3=11+dεr(D-d)。當Δεrεr1，則式(4-26)可用泰勒級數(shù)展開為(4-27)2)

含有被測介質(zhì)和空氣兩種介質(zhì)略去高次項后，則ΔC／C0與Δεr／εrN2有如下的近似線性關(guān)系：(4-28)則靈敏度為(4-29)式中：N2為靈敏度因子。將式(4-27)略去二次方以上各項，則得非線性誤差為δ=N3﹙Δεr／εr﹚×100%(4-30)式中：N3為非線性因子。2)

含有被測介質(zhì)和空氣兩種介質(zhì)

綜上分析，靈敏度因子N2與非線性因子N3均與間隙比dD-d有關(guān)，即與空氣隙的厚度D-d有關(guān)。當空氣隙D-d越小時，則靈敏度因子N2越大，說明靈敏度越高；同時非線性因子N3越小，說明非線性誤差δ越小。另外N2與N3均與被測介質(zhì)εr有關(guān)。當εr越小，靈敏度越高。因此，在使用這種傳感器時，要求被測介質(zhì)的初始介電常數(shù)越小越好。圖4-11電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖4-112)

含有被測介質(zhì)和空氣兩種介質(zhì)(2)改變工作介質(zhì)的電容式傳感器圖4-11所示為一種變極板間介質(zhì)的電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，此類傳感器常用于測量容器中液位的高低。在被測介質(zhì)中放入兩個同心圓筒形極板，當被測液體的液面在電容式傳感器的兩同心圓筒之間變化時，引起極板間不同介電常數(shù)介質(zhì)的高度發(fā)生變化，因而導致電容變化。設(shè)被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr,液面高度為h，傳感器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時傳感器電容值為(4-31)式中：ε為空氣的介電常數(shù)；C0為由傳感器的基本尺寸決定的初始電容值，即C0=2πHεlnDd。3變介質(zhì)型電容式傳感器圖4-12變介質(zhì)型電容式傳感器由式(4-31)可見，此傳感器的電容量C與被測液位高度h呈線性關(guān)系。圖4-12所示為另一種變介質(zhì)型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式。圖中兩平行板電極固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù)為εr2的電解質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積，導致電容量發(fā)生變化。傳感器總電容量為(4-32)3變介質(zhì)型電容式傳感器

式中：L0為極板的長度；b0為極板的寬度；L為第二種介質(zhì)進入極板間的長度。若電介質(zhì)εr1=1，當L=0時，傳感器初始電容C0=ε0εr1L0b0／d0。當被測介質(zhì)εr2進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為(4-33)可見，電容量的變化與電介質(zhì)εr2的移動量L呈線性關(guān)系。圖4-123變介質(zhì)型電容式傳感器

3變介質(zhì)型電容式傳感器表41列出了幾種常用的電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)εr。表41電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)材料相對介電常數(shù)εr

材料相對介電常數(shù)εr真空100000硬橡膠43

其他氣體1~12石英45紙20玻璃53～75

聚四氟乙烯21陶瓷55～70

石油22鹽6

3變介質(zhì)型電容式傳感器聚乙烯23云母6~85

硅油27三氧化二鋁85

米及谷類3~5乙醇20~25

環(huán)氧樹脂33乙二醇35~40

石英玻璃35甲醇37

二氧化硅38丙三醇47纖維素39水80

聚氯乙烯40鈦酸鋇1000~10000任務(wù)二電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路一、等效電路圖4-13電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路如圖413所示。圖中考慮了電容器的損耗和電感效應，Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄露電阻和介質(zhì)損耗，反映電容器在低頻時的損耗。隨著供電電源頻率增高，容抗減小，其影響也就減弱，電源頻率高至幾兆赫時，Rp可以忽略。RS代表串聯(lián)損耗電阻，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗，這個電阻在低頻時是極小的，隨著頻率的增高，由于電流的1等效電路

趨膚效應，RS的值增大。但是，即使在幾兆赫茲下工作時，RS的值仍然是很小的。因此，只有在工作頻率很高時，才加以考慮。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成，它與電容器的結(jié)構(gòu)和引線的長度有關(guān)。由等效電路可知，它有一諧振頻率，通常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容器的正常作用。因此，工作頻率應該選擇低于諧振頻率(通常為諧振頻率的1／3~1／2)時，電容式傳感器才能正常工作。圖4-131等效電路1等效電路為了計算方便，忽略Rp和RS，則電容式傳感器的有效電容為1jωCe=jωL+1jωC(4-34)ΔCe=ΔC1-ω2LC+ω2LCΔC(1-ω2LC)2=ΔC(1-ω2LC)2在這種情況下，電容的實際相對變化量為(4-35)式(4-35)表明，電容式傳感器的實際相對變化量與傳感器的固有電感(包括引線電感)有關(guān)。因此,在實際應用時必須與標定時的條件相同(供電電源頻率和連接電纜長度等)，否則將會引入測量誤差。二、調(diào)頻電路調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應的變化，這樣就實現(xiàn)了C／F的變化，故稱調(diào)頻電路。雖然可將頻率1等效電路作為測量系統(tǒng)的輸出量，用于判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此，必須加入鑒頻器，將頻率的變換轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。1等效電路調(diào)頻式測量電路原理框圖如圖4-14所示。圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為(4-36)式中：L為振蕩回路的電感；C為振蕩回路的總電容，C一般由傳感器的電容C0±ΔC和振蕩回路中的固有電容C1及引線分布電容C2組成，即C=C1+C2+Cx。當被測信號為0時，ΔC=0,則C=C1+C2+C0，所以，振蕩器有一個固有頻率，即圖4-14調(diào)頻式測量電路原理框圖調(diào)頻式測量電路原理框圖當被測信號不為零時，ΔC≠0，振蕩器頻率隨ΔC而改變，此時頻率為(4-37)調(diào)頻測量電路的特點：靈敏度高，可測量高至001μm級位移變化量；抗干擾能力強；能獲得高電平的直流信號或頻率數(shù)字信號。缺點是振蕩頻率受電纜電容的影響大，可以通過直接將振蕩器裝在電容式傳感器旁來克服連接電纜電容的影響；受溫度影響大，給電路設(shè)計和傳感器設(shè)計帶來一定麻煩。交流電橋電路圖4-15(g)所示的電橋為差動電容式傳感器配用的緊耦合電橋電路。其結(jié)構(gòu)是將電容式傳感器接入交流電橋，作為電橋的一個臂或兩個相鄰臂，另兩個橋臂是緊耦合電感臂，構(gòu)成緊耦合電感臂電橋。此類電橋的特點是具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻工作。圖4-15交流電橋電路交流電橋電路圖4-15(h)所示的電橋為變壓器式電橋。圖中C1和C2是差動電容式傳感器的兩個電容，分別作為電橋的兩個橋臂，電橋的另兩個橋臂為變壓器的兩個次級線圈，這兩個線圈應嚴格對稱。當負載足夠大時，輸出電壓表達式為(4-38)式中Z1=1jωC1,Z2=1jωC2，則（4-39)交流電橋電路如果C1、C2為差動變極距型電容傳感器，則(4-40)即單個變極距型電容式傳感器的輸出特性為非線性。經(jīng)變壓器電橋后，將式(4-40)代入式(4-39)，得(4-41)式(441)表明此變壓器電橋電路的輸出電壓與位移呈線性關(guān)系。如果C1、C2為差動變面積型電容式傳感器，則(4-42)交流電橋電路其輸出特性均為線性。經(jīng)變壓器電橋后，將式(4-42)代入式(4-43)，得也為線性輸出。因此，變壓器電橋?qū)鞲衅鳠o線性要求，即無論是線性電容傳感器，還是非線性電容式傳感器，采用變壓器電橋電路后，在負載阻抗極大時，其輸出特性均呈線性。此類電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。四、運算放大器電路圖4-16運算放大器式電路原理圖圖4-16所示為運算放大器式電路原理圖。圖中Cx為電容式傳感器電容，它跨接在高增益運算放大器的輸入端與輸出端之間；C為固定電容；i是交流電源電壓；o是輸出信號電壓；∑是虛地點。由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高，故輸入電流∑=0，運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。圖4-16運算放大器電路運算放大器由運算放大器工作原理可得(4-43)而對于平板電容器Cx=εAd，代入式(4-43)，得(4-44)式中：“-”號表示輸出電壓o的相位與電源電壓反相。運算放大器式(4-44)說明，運算放大器的輸出電壓o與極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上解決了單個變間隙式電容傳感器輸出特性的非線性問題。這里是假設(shè)放大器增益K=∞，輸入阻抗Zi=∞，因此，電容式傳感器仍然存在一定的非線性誤差，但在K和Zi足夠大時，這種誤差相當小。五、二極管雙T形交流電橋二極管雙T形交流電橋又稱為二極管雙T形網(wǎng)絡(luò)，它是利用電容器充放電原理組成的電路。圖4-17(a)所示為二極管雙T形交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供了幅值為U的對稱方波；VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管；C1、C2為傳感器的兩個差動電容；R1、R2為固定電阻，且R1=R2=R；RL為負載電阻。當傳感器沒有輸入時，C1=C2。五、二極管雙T形交流電橋該電路的工作原理：當電源e為正半周時，二極管VD1導通而VD2截止，其等效電路如圖4-17(b)所示。此時電容C1很快充電至U，電源e經(jīng)R1以電流I1向負載RL供電；與此同時，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流為I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和。在隨后e負半周出現(xiàn)時，VD2導通而VD1截止，其等效電路如圖417(c)所示。此時C2很快充電至電壓U，而流經(jīng)RL的電流I′L(t)為由電源e供給的電流I2′和C1的放電電流I′1(t)之和。根據(jù)上面所給的條件,則流經(jīng)RL的電流IL(t)和I′L(t)的平均值大小相等，極性相反，在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。圖4-17二極管雙

T形交流電橋(a)原理圖；(b)、(c)等效電路若傳感器輸入不為零,則C1≠C2，此時在一個周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此，產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為（4-45)

T形交流電橋式中：f為電源頻率。當RL已知，式(4-45)中，有R(R+2RL)(R+RL)2RL=M(常數(shù))則式(4-45)可改寫為（4-46)由式(4-46)可知，輸出電壓Uo不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān)，而且與T型網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。圖4-17T形交流電橋綜上所述，該電路的特點1)電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定，需要采取穩(wěn)壓穩(wěn)頻措施。2)輸出電壓較高，例如，當電源頻率為13MHz，電源電壓U=46V時，電容從-7pF~+7pF變化，可以在1MΩ負載上得到-5V~5V的直流輸出電壓。3)電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，其電阻值為1kΩ~100kΩ。4)工作電平很高，使二極管VD1、VD2工作在特性曲線的線性區(qū)域時，測量的非線性誤差很小。5)輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1kΩ的負載電阻上升時間為20μs左右，故可用來測量高速的機械運動。六、脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路如圖4-18所示。圖中，C1和C2為傳感器的兩個差動電容，A1、A2為電壓比較器；電阻R1=R2；VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管；Ur為參考直流電壓。脈沖寬度調(diào)制電路圖4-18調(diào)制電路工作原理當接通電源后，如觸發(fā)器Q端(A點)為高電平，Q端(B點)為低電平，則觸發(fā)器通過R1向C1充電，時間常數(shù)為τ1=R1C1，直至F點電位UF上升到與參考電壓Ur相等時，比較器A1產(chǎn)生脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，此時Q端變成低電平，Q端變成高電平。翻轉(zhuǎn)后，電容C1通過二極管迅速放電至零，而觸發(fā)器由Q端經(jīng)R2向C2充電，時間常數(shù)為τ2=R2C2，直至G點電位UG充至Ur時，比較器A2產(chǎn)生脈沖，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器再一次翻轉(zhuǎn)，Q端變成高電平，Q端變成低電平，周而復始，循環(huán)上述過程，則在A、B兩點分別輸出寬度受C1、C2調(diào)制的矩形脈沖。調(diào)制電路工作原理當C1=C2時，各點的電壓波形如圖4-19(a)所示，Q端和Q端兩端的電平脈沖寬度相等，輸出電壓UAB為等寬矩形波，其平均值為零；當C1≠C2時，C1、C2充電時間常數(shù)發(fā)生改變，若C1>C2,則各點電壓波形如圖4-19(b)所示，這時在A、B點各自產(chǎn)生一寬度受C1、C2調(diào)制的矩形脈沖，即(4-47)調(diào)制電路工作原理圖4-19脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形Q端點間的平均電壓(經(jīng)低通濾波器后)為(4-48)式中：UA，UB為A，B點矩形脈沖的直流分量；T1，T2為C1，C2的充電時間；U1為觸發(fā)器輸出的高電位。圖4-19調(diào)制電路工作原理調(diào)制電路工作原理由電路知識可知T1=R1C1ln﹛U1／﹙U1-Ur﹚﹜,T2=R2C2ln﹛U1／﹙U1-Ur﹚﹜將T1、T2代入式(4-48)，得(4-49)式(449)表明，輸出直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。對于變極距型電容式傳感器，有C1=εAd0-Δd,C2=εAd0+Δd則(4-50)3消除和減小泄露電容泄漏電容主要由兩部分組成：電容器的極板與其周圍導體構(gòu)成的寄生電容以及引線電容(電纜電容)。電容式傳感器的電容量及其工作時的電容變化量都很小，往往小于泄漏電容，且這些泄露電容與傳感器電容并聯(lián)，嚴重影響傳感器的輸出特性，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且它的變化隨條件而變，很不穩(wěn)定，從而會引起較大的測量誤差，必須消除或減小它。(1)增加原始電容值，可減小泄漏電容的影響采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為02mm~05mm，圓筒式間距為圖4-22圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽示意圖015mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，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。一般電容式傳感器的電容值變化ΔC=10-3pF~103pF，相對變化ΔC／C=10-6~1。

屏蔽和接地時必須注意避免電極移動時，高電位極板與屏蔽間電容的變化，以防止造成虛假的輸出信號。圖4-22畫出了圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽方式?？蓜訕O筒與連桿固定在一起隨被測量移動，并與傳感器的屏蔽殼同為地。因此當可動極筒移動時，它與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號，同時也解決了可動電極的絕緣處理問題。(2)采用接地屏蔽措施圖4-22圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽方式(3)采用組合式與集成技術(shù)，縮短傳感器與測量電路之間的距離。這里可以采用三種方法：第一種方法是將測量電路的前置放大級或測量電路全部裝在靠近傳感器處，以縮短傳感器到測量電路之間的電纜長度；第二種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，把全部測量電路組合在傳感器殼體內(nèi)；第三種方法是利用集成工藝，將傳感器與測量電路集成在同一塊芯片上，構(gòu)成集成式電容傳感器。。(4)驅(qū)動電纜技術(shù)當電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，為解決電纜寄生電容的影響，可采用“驅(qū)動電纜技術(shù)”。驅(qū)動電纜法實際上是一種等電位屏蔽法，又稱雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)，其原理電路如圖4-23所示。這種方法是將傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽線等電位，消除了芯線與內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了電纜電容的影響。此時屏蔽層的等電位是由驅(qū)動放大器供給的，這樣其內(nèi)、外層屏蔽之間的電容變成了電纜驅(qū)動放大器的負載。因此，要求驅(qū)動放大器是一個輸入電容為零、輸入阻抗很高、相移為零、具有容性負載、放大倍數(shù)為1的同相放大器圖4-23原理電路對于變面積型電容式傳感器C1=ε(A+ΔA)／d,C2=ε(A-ΔA)／d則(4-51)綜上所述，該電路的特點如下：1)輸出電壓與被測位移(或面積變化)成線性關(guān)系，因此對電容傳感器無線性要求。 2)不需要解調(diào)電路，只要經(jīng)過低通濾波器就可以得到較大的直流輸出電壓. 3)電源頻率大小對輸出電壓無影響。

七、環(huán)形二極管充放電法用環(huán)形二極管充放電法測量電容的基本原理是以一高頻方波為信號源，通過一環(huán)形二極管電橋，對被測電容進行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電容成正比的微安級電流。圖4-20所示為環(huán)形二極管充放電法的電路原理圖，圖中Cx為被測電容，A為直流電流表，C為濾波電容，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容，輸入方波加在電橋的A點和地之間。在設(shè)計時，要求方波脈沖寬度足以使電容器Cx和Cd充、放電過程在方波平頂部分結(jié)束。圖4-20電路原理圖測量電路工作原理圖4-20環(huán)形二極管電容測量電路原理圖1)當輸入的方波由E1躍變到E2時，VD1、VD3導通，VD2、VD4截止，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對電容Cx充電的電流如圖420中i1所示的方向，對Cd充電的電流如i3所示方向。在充電這段時間內(nèi)由A點向C點流動的電荷量為q1=Cd(E2-E1)。2)當輸入的方波由E2返回到E1時，VD2、VD4導通，VD1、VD3截止，Cx、Cd放電，它們兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流所經(jīng)過的路徑分別為i2、i4所示的方向。在放電這段時間內(nèi)由C點向A點流過的電荷量為q2=Cx(E2-E1)。測量電路工作原理設(shè)方波的頻率F=1/T0(每秒要發(fā)生的充放電過程的次數(shù))，則由C點流向A點的平均電流為I2=Cxf(E2-E1)，而從A點流向C點的平均電流為I3=Cdf(E2-E1)，流過此支路的瞬時電流的平均值為(4-52)式中：ΔE為方波的幅值，ΔE=E2-E1。令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，則Cx=C0+ΔCx,調(diào)節(jié)Cd=C0，則(4-53)由式(453)可以看出，I正比于ΔCx。任務(wù)三測量誤差及改進措施前面對各類傳感器結(jié)構(gòu)和原理的分析以及各種測量電路的討論，都是在理想條件下進行的，沒有考慮溫度、電場邊緣效應、寄生與分布電容等因素對電容式傳感器的影響。實際上，由于這些因素的存在，使電容式傳感器特性不穩(wěn)定，嚴重影響電容式傳感器的精度，因此，在設(shè)計和應用電容式傳感器時必須予以考慮，設(shè)法采取改進措施。1減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣材料的絕緣性能環(huán)境溫度的變化，將引起電容式傳感器內(nèi)各零件幾何尺寸和相互間幾何位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度附加誤差。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)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。電容式傳感器的金屬電極電容式傳感器的金屬電極材料以選用溫度系數(shù)低而穩(wěn)定的鐵鎳合金為好，但難加工。另外，極板也可直接在陶瓷、石英等絕緣材料上蒸鍍一層金屬薄膜來代替，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應極為有利。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應加以密封，用于防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬層，則可代替密封件而起保護作用，可防塵、防熱、防濕、防腐蝕，并且在高溫下可以減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。電容式傳感器的金屬電極電容式傳感器的容抗都很高，特別是當電源激勵頻率較低時。當兩極板間總的漏電阻與此容抗相近時，必須考慮分路作用對系統(tǒng)靈敏度的影響，所以傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機械強度外，還要有穩(wěn)定的性能。因此，電極支架一般選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并且具有高的絕緣電阻、低的吸潮性和高的表面電阻的材料，例如云母、石英、人造寶石及各種陶瓷等。雖然這些材料難加工但性能遠高于塑料和有機玻璃等材料。在溫度不太高的環(huán)境下，可以考慮選用聚四氟乙烯材料作支架，其絕緣性能較好。溫度影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異。電容式傳感器的電介質(zhì)應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)。若用某些液體如硅油、蓖麻油、煤油等作為電介質(zhì)，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大，當環(huán)境溫度變化時，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。例如，煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達007％℃；若環(huán)境溫度變化±溫度影響50℃，則將帶來7％的溫度誤差。雖然這種溫度誤差可以用后接電子線路加以補償(如采用與測量電橋相并聯(lián)的補償電橋)，但不易完全消除。在可能的情況下，電容式傳感器盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu)，這樣可通過某些測量線路(如電橋)來減小溫度等誤差。傳感器的電源頻率選用50kHz至幾兆赫，可以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。溫度影響另外，由于電容式傳感器的靈敏度與極板間距離成反比，因此，為了提高傳感器的靈敏度，初始距離都盡量取得小些，這不僅使加工工藝的難度增加、變換器作用的動態(tài)范圍減小，也增加了對支架等絕緣材料的要求，這時甚至要注意極間出現(xiàn)的電壓擊穿現(xiàn)象。2消除和減小邊緣效應理想情況下，平板電容器兩極板間的電場是均勻分布的。實際上，當極板厚度h與極距d之比相對較大時，邊緣效應就不可能忽略了。這時，對極板半徑為r的變極距型電容式傳感器，其電容值為(4-54)式中：函數(shù)fhd為邊緣效應因子。消除和減小邊緣效應表4-2列出了邊緣效應因子部分數(shù)值。表4-2電容式傳感器的邊緣效應因子H／d0020040060080100200406081012f(H/d)00980168023002850335054084106124139159邊緣效應不僅使電容式傳感器靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性，并帶來測量誤差，因此應盡量減小并消除它。為了消除邊緣效應的影響，可以采取下面的一些措施。消除和減小邊緣效應1)增大初始電容C0，即增大極板面積，減小極板間距，使極徑與間距比很大，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。2)電極做得極薄，使與極間距相比很小，這樣可減小邊緣電場的影響。3)在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應，如圖4-21所示。這里除1、2兩極板外，又在極板2的同一平面內(nèi)加一個等位環(huán)3。要求等位環(huán)3與原定極板2同心，電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位。這樣能使電極2的邊緣電力線平直，保證電容極板2與1之間的電場處處是均勻的，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3的外沿，從而克服邊緣效應的影響。圖4-21消除和減小邊緣效應圖4-21帶有等位環(huán)的平板電容式傳感器原理圖1、2—電極；3—等位環(huán)；4—絕緣層；5—套筒；6—芯線；7、8—內(nèi)外屏蔽層3消除和減小泄露電容泄漏電容主要由兩部分組成：電容器的極板與其周圍導體構(gòu)成的寄生電容以及引線電容(電纜電容)。電容式傳感器的電容量及其工作時的電容變化量都很小，往往小于泄漏電容，且這些泄露電容與傳感器電容并聯(lián)，嚴重影響傳感器的輸出特性，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且它的變化隨條件而變，很不穩(wěn)定，從而會引起較大的測量誤差，必須消除或減小它。(1)增加原始電容值，可減小泄漏電容的影響采用減小極片或極筒間的間距(平板式間距為02mm~05mm，圓筒式間距為圖4-22圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽示意圖015mm)，增加工作面積或工作長度來增加原始電容值，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。一般電容式傳感器的電容值變化ΔC=10-3pF~103pF，相對變化ΔC／C=10-6~1。圖4-22消除和減小泄露電容

(2)采用接地屏蔽措施，克服不穩(wěn)定的寄生電容的影響屏蔽和接地時必須注意避免電極移動時，高電位極板與屏蔽間電容的變化，以防止造成虛假的輸出信號。圖4-22畫出了圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽方式?？蓜訕O筒與連桿固定在一起隨被測量移動，并與傳感器的屏蔽殼同為地。因此當可動極筒移動時，它與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號，同時也解決了可動電極的絕緣處理問題。(3)采用組合式與集成技術(shù)，縮短傳感器與測量電路之間的距離。這里可以采用三種方法：第一種方法是將測量電路的前置放大級或測量電路全部裝在靠近傳感器處，以縮短傳感器到測量電路之間的電纜長度；第二種方法是采用超小型大規(guī)模集成電路，把全部測量電路組合在傳感器殼體內(nèi)；第三種方法是利用集成工藝，將傳感器與測量電路集成在同一塊芯片上，構(gòu)成集成式電容傳感器。(4)驅(qū)動電纜技術(shù)當電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，為解決電纜寄生電容的影響，可采用“驅(qū)動電纜技術(shù)”。驅(qū)動電纜法實際上是一種等電位屏蔽法，又稱雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)，其原理電路如圖4-23所示。這種方法是將傳輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽線等電位，消除了芯線與內(nèi)層屏蔽的容性漏電，從而消除了電纜電容的影響。此時屏蔽層的等電位是由驅(qū)動放大器供給的，這樣其內(nèi)、外層屏蔽之間的電容變成了電纜驅(qū)動放大器的負載。因此，要求驅(qū)動放大器是一個輸入電容為零、輸入阻抗很高、相移為零、具有容性負載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。(5)運算放大器法這種方法是利用運算放大器的虛地來減少引線電纜寄生電容的影響。工作原理如圖4-24所示。電容式傳感器的一個電極經(jīng)引線電纜芯線接運算放大器的虛地，電纜的屏蔽層接傳感器地，這時與傳感器電容相并聯(lián)的寄生電容僅為等效電容的11+A，因此，大大減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接傳感器地而對芯線不起作用。傳感器的另一電極經(jīng)傳感器外殼(最外面的屏蔽層)接大地，以防止外電場的干擾。盡管仍存在分布電容的影響，但只要運算放大器的A足夠大，就可得到所需要的測量精度。圖4-23驅(qū)動電纜法原理圖圖4-24運算放大器法電路原理圖圖4-23電路原理圖圖4-24電路原理圖(6)整體屏蔽法整體屏蔽法是將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜以及供橋電源等整體用同一個屏蔽殼屏蔽起來。這種方法的關(guān)鍵在于正確選取接地點，以消除寄生電容的影響和防止外界的干擾。圖4-25(a)所示為采用差動電容式傳感器、緊耦合變壓器供以電源并作為橋臂、雙屏蔽電纜作引線的整體屏蔽，其外屏蔽層接地，內(nèi)屏蔽層接變壓器副邊中間抽頭，使芯線與內(nèi)屏蔽層間的電容和內(nèi)外屏蔽層間電容串聯(lián)，大大減小了電纜電容的影響。整體屏蔽法圖4-25(b)所示為整體屏蔽法的另一個例子，接地點選在測量電橋兩電阻橋臂中間，使公用接地與屏蔽之間的寄生電容C1并在放大器的輸入端，只影響放大器的輸入阻抗不影響其靈敏度，另外兩個寄生電容C3和C4在一定程度上影響電橋的初始平衡及總體靈敏度，但它們并不妨礙電橋的正常工作。因此寄生電容對傳感器的影響基本上得到了排除。但這種屏蔽方法結(jié)構(gòu)比較復雜。圖4-25整體屏蔽法圖4-25整體屏蔽法4防止和減小外界干擾電容式傳感器的電容量很小，一般為幾十至幾百皮法，因此，電容式傳感器的輸出阻抗很高，容易受到外界干擾的影響。當外界(如電磁場)干擾在傳感器和導線之間感應出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差，甚至使傳感器無法正常工作。另外，不同接地點所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，同樣會引起誤差和故障。防止和減小外界干擾為改善抗干擾性能，常采取如下措施。1)屏蔽和接地。用良導體做傳感器殼體，將傳感元件包圍起來，并可靠接地；用金屬網(wǎng)套住導線彼此絕緣(屏蔽電纜)，金屬網(wǎng)可靠接地；傳感器與測量電路前置級一起裝在較好的屏蔽殼內(nèi)并可靠接地等。2)增加原始電容值如采用多層電極結(jié)構(gòu)來增大電極板面積等；以降低容抗，減小被干擾電容淹沒的危險。防止和減小外界干擾3)減小導線間的分布電容的靜電感應，因此導線與導線之間要遠離，距離盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時可采用同軸屏蔽電纜線。4)減少接地點，盡可能一點接地，地線要用較粗的良導體或?qū)捰≈凭€。5)盡量采用差動式電容傳感器，可減小非線性誤差，提高靈敏度，減小寄生電容的影響以及減小干擾。任務(wù)四電容式傳感器的應用1電容料位指示儀電容料位指示儀是根據(jù)介質(zhì)料位變化對電容介電常數(shù)的影響這一原理制成的。利用電容料位指示儀可以對密封倉內(nèi)導電性不良的松散物質(zhì)的料位進行檢測，并能進行自動控制。在料倉的上、下限各設(shè)一個電容傳感器探頭，以便監(jiān)視料位處于“料位上限”之上，還是處于“料位下限”之下，或者在“料位上限”和“料位下限”之間，分別用顏色不同的指示燈顯示。電容料位指示儀電容料位指示儀的測量電路如圖4-26所示。整個電路可分為兩個部分：信號轉(zhuǎn)換電路和控制電路。信號轉(zhuǎn)換電路是通過阻抗平衡電橋?qū)崿F(xiàn)的。Cx是探頭對地的分布電容，它直接與料面接觸，當C2C4=CxC3時，電橋平衡。隨著料位的上升或下降，Cx隨之發(fā)生變化，使C2C4≠CxC3，電橋失去平衡。圖4-26測量電路測量電路圖4-26電容料位指示儀測量電路電橋的輸入電壓由BG1和LC回路組成的振蕩器供電。電橋平衡時，無輸出信號。當料面變化引起Cx變化，導致電橋不平衡，則電橋輸出交流信號。該信號經(jīng)BG2放大后，經(jīng)VD1檢波輸出?？刂齐娐酚葿G3、BC4組成的施密特觸發(fā)器和繼電器組成。由信號轉(zhuǎn)換電路送來的直流信號，當幅值達到一定值后，施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，此時BC4由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài)，繼電器閉合。由其觸點控制相應的電路和指示燈，從而指示料位的高低。2電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)是根據(jù)變極距型電容式傳感器原理設(shè)計的。電容式接近開關(guān)具有無抖動、無觸點、非接觸檢測等優(yōu)點，其抗干擾能力、耐蝕性能等比較好。它主要由高頻振蕩、檢波、放大、整形及輸出等部分組成。其中定板為裝在傳感器主體上的金屬板，動板為被測物體上的相對應位置上的金屬板。工作時，當被測物體位移后接近傳感器主體時(接近的距離范圍可通過理論計算或?qū)嶒炄〉?，由于兩者之間的距離發(fā)生了變化，即電容式傳感器兩極板間的極距發(fā)生了變化，從而引起傳感器電容量的改變，使輸出發(fā)生變化。接近開關(guān)此外，開關(guān)的作用表面可與大地之間構(gòu)成一個電容器，參與振蕩回路的工作。當被測物體接近開關(guān)的作用表面時，回路的電容量將發(fā)生變化，這種變化使得高頻振蕩器的振蕩減弱直至停振。振蕩器的振蕩及停振信號由電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號送至后續(xù)開關(guān)電路中，從而使傳感器按預先設(shè)置條件發(fā)出信號，控制檢測機電設(shè)備，使其正常工作。接近開關(guān)電容式接近開關(guān)主要用于定位及開關(guān)報警控制等場合，尤其適用于自動化生產(chǎn)線和檢測線的自動限位、定位等控制系統(tǒng)，以及一些對人體安全影響較大的機械設(shè)備(如切紙機、壓模機、鍛壓機等)的行程和保護控制系統(tǒng)。圖4-27所示為人體電容接近開關(guān)的電路圖。C1與L1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，L2和VT形成共基接法，C4是反饋電容，C5是耦合電容，R3與C3形成去耦電路。R1和R2是偏置電阻，它們與C2形成選頻網(wǎng)絡(luò)。電位器用于調(diào)節(jié)接近距離。VD1與VD2構(gòu)成檢波電路。C6是檢波電容，C0是人體與金屬棒形成的電容。若人體接近金屬棒，C0變大，與C4并聯(lián)后使反饋電容增加，從而使振蕩減弱，經(jīng)VD1，VD2檢波后，輸出的電壓為低電平。否則，振蕩器正常振蕩，輸出高電平。圖4-27人體接近電容式傳感器電路圖3電容式測厚儀電容式測厚儀主要用來測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，其工作原理如圖4-28所示。在被測金屬帶材的上、下兩側(cè)各安裝一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就形成了兩個電容器(帶材也作為一個極板)。把這兩塊極板用導線連接起來作為傳感器的一個電極板，圖4-28電容式測厚儀工作原理示意圖1—金屬帶材；2—電容極板；3—傳動輪；4—軋輥而金屬帶材就是電容式傳感器的另一個極板。其總的電容量C應是兩極板間電容之和，即C=C1+C2。帶材的厚度發(fā)生變化時，將引起它與上下兩個極板間距變化，從而引起電容量的變化，用交流電橋?qū)⑦@一變化電容檢測出來，再經(jīng)過放大，即可由顯示儀器把帶材的厚度變化顯示出來。圖4-28原理示意圖分析目前，用于這種厚度檢測的電容式厚度傳感器的框圖，如圖4-29所示。圖中的多諧振蕩器輸出電壓E1、E2通過R1、R2(R1=R2)交替對電容器C1、C2充放電，從而使弛張振蕩器的輸出交替觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電路。當C1=C2時，Uo=0；當C1≠C2，雙穩(wěn)態(tài)電路Q端輸出脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)對稱脈沖檢測電路處理后變成電壓輸出，用數(shù)字電壓表示。輸出電壓大小為式中Ec——電源電壓。圖4-29電容式厚度傳感器方框圖4電容式濕度傳感器濕度發(fā)生變化時，電容值隨之改變的傳感器稱為電容式濕度傳感器。電容式濕度傳感器主要用來測量環(huán)境的相對濕度。濕度傳感器的構(gòu)造基本上都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜，空氣中的水蒸氣吸附在感濕材料上時，濕度傳感器的阻抗、介電常數(shù)等發(fā)生變化而輸出電信號。分析如圖4-30所示為采用濕敏電容的濕度測量電路。施密特觸發(fā)器F1構(gòu)成振蕩器，振蕩頻率主要由R1、C1決定；振蕩輸出信號加到濕敏電容808上作為濕敏傳感器的交流驅(qū)動信號；當濕度在0~100％之間發(fā)生變化時，濕敏電容的電容量發(fā)生變化，該變化經(jīng)F2整形，R3、C2積分后輸出120V~135V直流電壓。圖4-30采用濕敏電容的濕度測量電路圖4-30采用濕敏電容的濕度測量電路5電容式氣體濃度儀圖4-31所示為用來檢測氣體濃度的電容式傳感器檢測系統(tǒng)示意圖。圖中由兩個幾何尺寸形狀和物理參數(shù)完全相同的鎳鉻合金絲制成的紅外線光源發(fā)射出紅外線光，這兩束光經(jīng)同步電機帶動的調(diào)制片形成125Hz的光束，其中一束光經(jīng)參比濾波室進入檢測器下室；電容式氣體濃度儀另一束光經(jīng)工作室、濾波室進入檢測器上室。由金屬鋁膜片和固定極板組成的薄膜電容器裝在檢測器內(nèi)，膜片將上、下兩室隔開，檢測器內(nèi)充有一定濃度的待測氣體。圖4-31示意圖當檢測器兩室受到紅外線光照射時，紅外線光的能量被里面所充待測氣體吸收，導致氣體溫度有所上升，從而產(chǎn)生熱膨脹。又由于工作室中有待測氣體流通，上邊的紅外光能量在進入檢測器上室前被此工作室的待測氣體吸收了一部分，其被吸收程度與被測氣體濃度成正比，從而使進入檢測器上、下兩室里的紅外輻射能量存在差異。在檢測室的上、下兩室里也有一定的待測氣體，其所吸收紅外光能量不同，故產(chǎn)生熱膨脹也有差異，這就使檢測器里電容器的膜片產(chǎn)生一個位移，電容量隨之發(fā)生相應的變化，再經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電壓(或電流)信號并放大，可直接從記錄儀上讀出待測氣體的濃度，記錄儀上的刻度值是用標準濃度氣體來校準的。圖4-31測氣體濃度的檢測系統(tǒng)示意圖1—紅外燈絲；2—同步電動機；3—調(diào)制片；4—工作室；5—濾波室；6—電容器膜片；7—檢測器；8—記錄儀；9—測量和放大電路；10—電容器固定板；11—參比濾波室6電容式加速度傳感器圖4-32所示為一種差動電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有兩個固定電極板，極板中間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。當傳感器用于測量垂直方向上的微小振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，質(zhì)量塊在絕對空間中相對靜止，而兩個固定電極板相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，此位移大小正比于被測加速度，使C1、C2中一個增大，一個減小，形成差動電容。利用測量電路測出差動電容的變化量，便可測定被測加速度。此類傳感器頻率響應快，量程范圍大，僅受彈性系統(tǒng)設(shè)計限制，在結(jié)構(gòu)上大多采用空氣或其他氣體做阻尼介質(zhì)。此外，該傳感器還可做得很小，與測量電路儀器封裝在一個厚膜集成電路的殼體中。圖4-32結(jié)構(gòu)示意圖圖4-32差動電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—固定電極；2—絕緣墊；3—質(zhì)量塊；4—彈簧；5—輸出端；6—殼體7電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器實質(zhì)上是位移傳感器，在結(jié)構(gòu)上有單端式和差動式兩種形式，因為差動式的靈敏度高，非線性誤差較小，從而得到廣泛應用。圖4-33所示為一種小型差動電容式壓力傳感器。金屬彈性膜片為動極板，鍍金凹形玻璃圓片為定極板。當被測壓力通過過濾器進入空腔時，如果彈性膜片的兩側(cè)壓力p1、p2相等時，膜片處于中間的位置，使兩個電容相等，沒有信號輸出；如果彈性膜片兩側(cè)存在壓力差，即p1≠p2，則彈性膜片受到壓力差而向一側(cè)產(chǎn)生位移，該位移使兩個電容一增一減。電容量的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化輸出。電容式壓力傳感器這種傳感器的靈敏度取決于初始間隙d0，d0越小，靈敏度越高。K=1d0或K′=2d0，試驗證明，該傳感器可測量0~075Pa的微小壓差。其動態(tài)響應主要取決于彈性膜片的固有頻率。這種傳感器常配以脈寬調(diào)制電路。圖4-33小型差動電容式傳感器(振動、位移測量儀)圖4-33小型差動電容式傳感器(振動、位移測量儀)8電容式稱重傳感器圖4-34電容式稱重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖4-34所示為一種電容式稱重傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。選用一塊澆鑄性好、彈性極限高的特種鋼(鎳鉻鉬)，在同一高度上加工出一排尺寸相同且距離相等的圓孔，在孔的內(nèi)壁用特殊的黏結(jié)劑固定兩個截面為T形的絕緣體，保持其平行并留有一定的空隙，在相對面上粘貼銅箔，從而形成一排平板電容。當圓孔受負載變形時，使每個電容器的極距變小，電容值將增大，在電路上各電容并聯(lián)，因此，總電容增量將正比于被測平均負載F。電容式稱重傳感器這種傳感器的特點是受接觸面影響小，測量誤差小。采用高頻振蕩電路為測量電路，把檢測、放大等電路置于孔內(nèi)，利用直流供電，輸出也是直流信號，無感應現(xiàn)象，工作可靠，溫度漂移可補償?shù)胶苄　＿@種傳感器一般用于檢測地球物理和工作表面狀態(tài)，而且在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常用來做位置信號發(fā)送器。圖4-34電容式稱重傳感9電容式油量表電容式傳感器測量油箱液位油量的示意圖，如圖4-35所示。圖4-35電容式傳感器測量油量示意圖1—油箱；2—圓柱形電容器；3—伺服電動機；4—減速器電容式油量表當油箱中無油時，電容式傳感器的電容量為Cx0，調(diào)節(jié)匹配電容使C0=Cx0，并使電位器RP滑動臂位于0點，即電阻值為零。此時，電橋滿足平衡條件，其輸出為零。伺服電動機不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角為零。當油箱中注滿油時，液位上升至h處，使電容量發(fā)生變化，即電容量Cx=Cx0+ΔC，而ΔC與h成正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓放大后驅(qū)動伺服電動機，經(jīng)減速后帶動指針偏轉(zhuǎn)，同時帶動電位器RP的滑動臂移動，使RP電阻值增大。當RP電阻值達到一定值時，電橋又能達到新的平衡狀態(tài)，此時Ux=0，于是伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角θ處。由于伺服電動機同時帶動指針及可變電阻的滑動臂，因此，電位器RP的電阻值與轉(zhuǎn)角θ存在著確定的對應關(guān)系，即θ正比于RP的電阻值，而RP的電阻值又正比于液位高度h。因此，可直接從刻度盤上讀得液位高度h。圖4-35任務(wù)五了解容柵式傳感器容柵式傳感器是在變面積型電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳感器。它除了具有電容式傳感器優(yōu)點此外，還具有下面的一些優(yōu)點：多極電容帶來的平均效應，采用閉環(huán)反饋式等測量電路減小寄生電容的影響、提高抗干擾能力、提高測量精度、極大地擴展了將電容式傳感器量程等。中的電容極板刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應的測量電路就構(gòu)成了容柵測量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極板和獨特的測量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容式傳感器，適宜進行大位移測量。一、工作原理及轉(zhuǎn)換電路1開環(huán)調(diào)幅式測量原理開環(huán)調(diào)幅式容柵傳感器由定柵對和動柵對兩對極板構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖4-36所示。在圖中左側(cè)，定柵對由均勻排列電極的長柵組成，動柵對由一對相同尺寸的交錯對插電極梳組成。傳感器的兩個電極柵片相對安裝如圖中右側(cè)，1開環(huán)調(diào)幅式測量原理其中暗區(qū)域是兩個電極柵的重疊面積。工作時，當動柵向右移動Δl，上對極板形成的電容C1將增加，下對極板形成的電容C2將減小，從而形成一對隨位移反向變化的差動電容器C1和C2。傳感器仍采用傳統(tǒng)差動變壓器測量電路，但由于電容極板刻成柵狀提高了測量精度，并可進行大位移測量。圖4-36開環(huán)調(diào)幅式容柵傳感器結(jié)構(gòu)圖4-36開環(huán)調(diào)幅式容柵傳感器結(jié)構(gòu)2閉環(huán)調(diào)幅式測量原理閉環(huán)調(diào)幅式容柵傳感器原理如圖4-37所示，其中圖(a)為系統(tǒng)原理圖，圖(b)為電極柵片原理結(jié)構(gòu)。圖中A、B為動尺上的兩組電極片，各由四個小電極片組成；P為定尺上的一片電極片，它們之間構(gòu)成差動電容器CA、CB。在位置a時，A組電極片為小電極片1~4，B組為5~8。S1和S2為方波脈沖控制開關(guān)，輪流將參考電壓±U0和測量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流輸出電壓Um，分別接入兩個小電極組A和B。閉環(huán)調(diào)幅式測量原理若系統(tǒng)保證電容極板P為虛地，則在一個周期內(nèi)，激勵信號通過差動電容CA和CB在電容極板P上產(chǎn)生的電荷量QP=(CAU0—CBU0+CAUm+CBUm)。當Qp為零時，測量轉(zhuǎn)換電路保證Um不變；否則導致測量轉(zhuǎn)換電路使Um改變，并保證其變化使Qp的值最小，直至為零。這時(4-56)即輸出直流電壓與位移呈線性關(guān)系。圖4-37原理原理圖4-37閉環(huán)調(diào)幅式容柵傳感器原理(a)系統(tǒng)原理圖；(b)電極柵片原理圖當相對位移量超過l