傳感器原理及檢測(cè)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(fù)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(yùn)算放大器式測(cè)量電路

運(yùn)算放大器式測(cè)量電路的原理圖如圖所示。電容式傳感器跨接在高增益運(yùn)算放大器的輸入端與輸出端之間。由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗很高，可認(rèn)為是一個(gè)理想運(yùn)算放大器。則輸出電壓為：可見，運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求運(yùn)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(yùn)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(cè)量電路原理框圖如圖所示。當(dāng)電容工作時(shí)，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(jìn)行顯示和記錄，這種方法稱為調(diào)頻法。當(dāng)傳感器未工作時(shí)，振蕩頻率為：用調(diào)頻電路作為電容式傳感器的測(cè)量電路具有下列特點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；（2）靈敏度高，可測(cè)量級(jí)的位移變化量；（3）能獲得高電平的直流信號(hào)，可達(dá)伏特?cái)?shù)量級(jí)；（4）由于輸出為頻率信號(hào)，易于用數(shù)字式儀器進(jìn)行測(cè)量，并可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，可以發(fā)送、接收，能達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。（6）差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路

差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路如圖所示，它是利用對(duì)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(cè)量變化的直流信號(hào)。差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的電路中各點(diǎn)電壓波形如圖所示。4.3電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)改善措施1.電容傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)（1）電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(jì)。因此，只需要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性進(jìn)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(dòng)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(cè)量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好：電容式傳感器由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)：電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，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)。（2）電容式傳感器的缺點(diǎn)輸出阻抗高，帶負(fù)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(duì)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(dòng)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(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，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(cè)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(hào)處理電路安裝在非?？拷鼧O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(jì)改善措施電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)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(cè)量中會(huì)產(chǎn)生非線性誤差，應(yīng)盡量減小或消除。適當(dāng)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(cè)量范圍受到限制。一方面，可采取將電極做得很薄，使之遠(yuǎn)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(hù)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(jìn)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(shí)變形；傳感器電極的支架要有一定的機(jī)械強(qiáng)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(yuǎn)高于塑料、有機(jī)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(yán)重時(shí)會(huì)淹沒傳感器的有用信號(hào)，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(jì)電容傳感器的關(guān)鍵。通?？刹捎萌缦路椒ǎ孩僭黾与娙莩跏贾担涸黾与娙莩跏贾悼梢詼p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(dòng)電纜技術(shù)：驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)又叫雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)，它實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。驅(qū)動(dòng)放大器是一個(gè)輸入阻抗很高，具有容性負(fù)載，放大倍數(shù)為1的同相放大器。該方法的難點(diǎn)在于要在很寬的頻帶上實(shí)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(hào)變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動(dòng)電纜”。外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場(chǎng)的干擾。等電位

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

運(yùn)算放大器法電容傳感器的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地Σ點(diǎn)，電纜的屏蔽層接儀器地，這時(shí)與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容，為運(yùn)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(cè)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(dòng)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(dòng)電容式壓力傳感器。其主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。例1：差動(dòng)電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器常用來測(cè)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(dòng)電容式加速度傳感器主要由兩個(gè)固定極板（與外殼絕緣）和一個(gè)質(zhì)量塊組成，中間的質(zhì)量塊采用彈簧片來進(jìn)行支撐，它的兩個(gè)端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動(dòng)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(dòng)式結(jié)構(gòu)，其固定電極與外殼絕緣，其活動(dòng)電極與測(cè)桿相連并彼此絕緣。測(cè)量時(shí)，動(dòng)電極隨被測(cè)物發(fā)生軸向移動(dòng)，從而改變活動(dòng)電極與兩個(gè)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(jī)械摩擦，靈敏度高，但行程小，主要用于接觸式測(cè)量。電容式傳感器還可以用于測(cè)量振動(dòng)位移，以及測(cè)量轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心動(dòng)態(tài)偏擺等，屬于動(dòng)態(tài)非接觸式測(cè)量，如圖所示。

（a）振幅測(cè)量（b）軸的回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺測(cè)量電容式傳感器在振動(dòng)位移測(cè)量中的應(yīng)用圖（a）中電容傳感器和被測(cè)物體分別構(gòu)成電容的兩個(gè)電極，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生振動(dòng)時(shí)，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(cè)量電路實(shí)現(xiàn)測(cè)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(gè)電容極板，作為定極板，被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸作為電容傳感器的動(dòng)極板。測(cè)量時(shí)，首先調(diào)整好電容極板與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸之間的原始間距，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)因軸承間隙等原因產(chǎn)生徑向位移和擺動(dòng)時(shí)，定極板和動(dòng)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路即可測(cè)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(cè)定電極安裝在容器的頂部，容器壁和測(cè)定電極之間構(gòu)成了一個(gè)電容器。當(dāng)容器內(nèi)的被測(cè)物有一定液位高度時(shí)，由于被測(cè)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(cè)液位的高度成線性關(guān)系。只要通過測(cè)量轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)出電容的變化量，就可以測(cè)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(cè)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(cè)對(duì)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(cè)量過程中，其結(jié)構(gòu)也會(huì)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(cè)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(cè)中的應(yīng)用（5）電容式測(cè)厚傳感器電容式傳感器測(cè)厚的原理如圖所示。在被測(cè)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(gè)獨(dú)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(cè)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(shí)現(xiàn)帶材厚度的在線檢測(cè)。下圖所示為電容式測(cè)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(gè)電極，而板材就是電容的另一個(gè)電極，其總電容為：電容式測(cè)厚傳感器應(yīng)用電路（6）電容式指紋識(shí)別傳感器電容式指紋識(shí)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(chǎng)合中得到了應(yīng)用，如用于筆記本電腦、手機(jī)及汽車等的指紋識(shí)別及防盜，如圖所示。(a)筆記本指紋識(shí)別(b)指紋識(shí)別手機(jī)(c)汽車防盜指紋識(shí)別電容式指紋識(shí)別傳感器（1