第四章電容傳感器2

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構類型傳感器的工作原理及結構類型v2信號調理電路信號調理電路v3電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器的應用舉例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、類型和特點電容式傳感器的工作原理、類型和特點 電容器是電子技術的三大類無源元件電容器是電子技術的三大類無源元件(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，將非電量轉換成電容量，進而實現(xiàn)非電量到電量的轉化量轉換成電容量，進而實現(xiàn)非電量到電量的轉化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實質上是的器件

2、或裝置，稱為電容式傳感器，它實質上是一個具有可變參數(shù)的電容器。一個具有可變參數(shù)的電容器。 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 電容傳感器可用來測量直線位移、角位移，振動振電容傳感器可用來測量直線位移、角位移，振動振幅幅(可測至可測至0.05m的微小振幅的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動尤其適合測量高頻振動振幅振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量，還可用來、精密軸系回轉精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、測量壓力、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、測量電介質的濕度、密非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、

3、厚度等等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作度、厚度等等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。為位置信號發(fā)生器。 當測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時，往當測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時被測物是電往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時被測物是電容器的一個電極，另一個電極則在傳感器內。容器的一個電極，另一個電極則在傳感器內。4.1工作原理和特點工作原理和特點 用兩塊金屬平板作電極可構成電容器，當忽略邊緣效用兩塊金屬平板作電極可構成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容應時，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極板間介質的相對介電常數(shù)，對于空氣介質為極板間介質的相對介電常數(shù)，對于空氣介質為1；0 真空介電常數(shù)，真空介電常數(shù)，0 8.85p pF/m； 電容極板間介質的介電常數(shù)。電容極板間介質的介電常數(shù)。 、A和和r r中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容中的某一項或幾項有變化時，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下頁下頁上頁上頁返回返回

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: :改變介質的介電常數(shù)改變介質的介電常數(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；改變兩個極板間的距離改變兩個極板間的距離 。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，在應用中電容式傳感器可以有三根據(jù)上述原理，在應用中電容式傳感器可以有三種基本類型，即種基本類型，即變極距變極距( (或稱變間隙）型、變面積型和或稱變間隙）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。圖庫圖庫圖4-2 電容式傳感元件的各種結構形式12(a)(b)(c)( d )( e )( f )(g)(h)(i)( j )( k)( l )變極距型：變極距型：a，b一般用來測量微小位移一般用來測量微小位移(0.01-0.1m)變面積型：變面積型：c-h用來測量角位移或較大的線位移用來測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用來測量介質的厚度、位置、液位以及成分含量等用來測量介質的厚度、位置、液位以及成分含量等 特點特點溫度穩(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關，僅取決于電極的幾何尺

7、寸，且空氣等介質損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮，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)熱產生零漂。結構簡單，適應性強結構簡單，適應性強 電容式傳感器結構簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。動態(tài)響應好動態(tài)響應好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，（

8、約幾個10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等?？梢詫崿F(xiàn)非接觸測量、具有平均效應可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應 當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，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、低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、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，負載能力差輸出阻抗高，負載能力差 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，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達106108。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。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圍環(huán)境如溫

10、濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠比低頻時復雜，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導線可達800pF)、測量電路的雜散電容雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構傳感器極板與其周圍導體構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)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、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，雖可采用差動結構來改善，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的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產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，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(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，極板2為可動電極(動片)，當動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產生變化 ，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，則.113020000000CCC00CC近似線性處理，則CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2dv可見只有當 很小時，才可認為 即在任何中性點附近，電容量的相對變化與位移的相對變化成正比。只只有比值有比值 / / 很小時才可認為是接近線性關系，這就意味很小時才可認為是接近線性關系，這就意味著使用這種形式傳感器時，被測量范圍不應太大。著使用這種形式傳感器時，被測量范圍不應太大。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、慮線性項和二次項時，傳感器的相對非線性誤差只考慮線性項和二次項時，傳感器的相對非線性誤差為為 %1000 可以看出：要提高靈敏度，應減小起始間隙可以看出：要提高靈敏度，應減小起始間隙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使用此種傳感因此為在比較大的范圍內使用此種傳感器，可適當?shù)脑龃髽O板間的初始距離器，可適當?shù)脑龃髽O板間的初始距離 0 ，以保證比值以保證比值 /0不致過大，但會帶來靈敏不致過大，但會帶來靈敏度下降的缺點，同時也使電容傳感器的初始度下降的缺點，同時也使電容傳感器的初始值減小，值減小，易導致電容器擊穿（空氣的擊穿電易導致電容器

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云母的相對介電常數(shù)，云母的相對介電常數(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）作介質作介質, 如圖，此時電容如圖，此時電容C變?yōu)樽優(yōu)?gg00 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的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。同時式中起始距離可大大減小。同時式中g/0g項是恒定值，項是恒定值， 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。最大位移應小于初始的范圍內。最大位移應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，可利用被測部件，變極距式電容傳感器的靈敏度高，可利用被測部件做為動極板實現(xiàn)動態(tài)非接觸

16、測量，故在微位移和壓力測量中應做為動極板實現(xiàn)動態(tài)非接觸測量，故在微位移和壓力測量中應用最廣。用最廣。 v 實際應用中，為了改善非線性、提高靈敏度實際應用中，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，常常作成差動式結構或采用適當?shù)臏y量電路來改常常作成差動式結構或采用適當?shù)臏y量電路來改善其非線性。善其非線性。 差動變極距型傳感器差動變極距型傳感器采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量C差動平板式電容傳感器結構圖 0012C1C2S 在差動式平板電容器在差動式平板電容器中，當動極板位移中，當動極板位移d時，電容器時，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, 按級數(shù)展開得 3020002302000111CCCC電容值總的變化量為 503000212CCCC電容值相對變化量為 40200012CC略去高次項，則C/C0與/0近似成為如下的線性關系： 002CC 如果只考慮的線性項和三次項, 則電容式傳感器的相對非線性誤差近似為 %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(測厚除外測厚除外)電電容傳感器具有很好的線性。但它們的結論都容傳感器具

18、有很好的線性。但它們的結論都是忽略了邊緣效應得到的。實際上由于邊緣是忽略了邊緣效應得到的。實際上由于邊緣效應仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但效應仍存在非線性問題，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：極板相對覆蓋面積的變化改變電容值特點：極板相對覆蓋面積的變化改變電容值測量范圍較大（線位移，或角位移）測量范圍較大（線位移，或角位移）類型：平板型，圓柱形，角位移，齒形極板類型：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

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。當動極板相對于定極板容量的變化。當動極板相對于定極板沿長度方向平移沿長度方向平移x時，兩極板重疊時，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。電容相對變化量為為初始電容。電容相對變化量為 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呈線性關系呈線性關系。 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、輸出為線性關系，但與變極距相比，即輸入輸出為線性關系，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量。位移的測量。（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測量電介質的厚度厚度、液位液位，還可根據(jù)極間介質的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質材料的溫度溫度、濕度濕度等。n若忽略邊緣效應，單組式平板形厚度傳感器如下圖，設極板的長度和寬度分別為l和b,傳感器的電容量與被測厚度的關系為 x厚度傳感器C1C2C3CxxlbC0n測量介質位置：若忽略邊緣效應，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系為 C1C2C3CC4 l、b、ax:固定極板長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度 ；:兩固定極板間的距離；x、0:被測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測量介質液位：若忽略邊緣效應，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關系為 液位傳感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關系。 2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrKv 變介電常數(shù)式電容傳感器也可以用來測變介電常數(shù)式電容傳感器也可以用來測量糧食

22、、紡織品、木材或煤炭等固體介質的量糧食、紡織品、木材或煤炭等固體介質的溫度或濕度，當被測介質受到外界溫度或濕溫度或濕度，當被測介質受到外界溫度或濕度影響時，其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起度影響時，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)生變化電介質材料的相對介電常數(shù)電介質材料的相對介電常數(shù)4.2 信號調理電路（也稱測量電路） 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，不能直接驅動顯示記錄儀器，也不便于傳輸，必須借助小，不能直接驅動顯示記錄儀器，也不便于傳輸，必須借助于信號調理電路檢出這一微小電容增量，并將其轉換成與其于信號調理電路檢

23、出這一微小電容增量，并將其轉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運算放大電路運算放大電路v電橋電路電橋電路v調頻電路調頻電路v雙雙T T形電路形電路v脈沖調寬電路脈沖調寬電路4.2.1運算放大器式電路運算放大器式電路 由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很很高高, 運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比較理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信號調理電路。運算放大器式電路原理圖想的信號調理電路。運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是輸出信號電壓是輸出信號電壓; 是虛地點。是虛地點。.圖圖4.8 運算放大器式電路原理圖運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 由運算放大器理想條件由運算放大器理想條件“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”可得可得 式中式中“-”號表示輸出電壓的相位與電源電壓反相?？梢娺\號表示輸出電壓的相位與電源電壓反相?？梢娺\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系。運算放大器式成線性關系。運算放大器式電路雖解決了單個變

25、極板間距離式電容傳感器的非線性問題，電路雖解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，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臂將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂(另一個臂為固定電容另一個臂為固定電容)或兩個相鄰臂，另或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是兩個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二次線圈變壓器的兩個二次線圈。其中另兩個臂是。其中另兩個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，橋路內阻最小，因此內阻最小，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設變壓器次級線圈的感應電勢為u/2，電橋后接放大器的輸入阻抗RL，則電橋輸出電壓為212102uCCCCu對于變極距式電容傳感器，則002001ACCACC，002uu對于變面積式電容傳感器，AACAAC0201，則002uAAu 可見電橋輸出電壓與極距變

27、化量、面積變化量都呈線性關系可見電橋輸出電壓與極距變化量、面積變化量都呈線性關系注意注意：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，要求電源電壓波動極小，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；壓波動極小，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合（如飛機用油量表）應采用自在要求精度高的場合（如飛機用油量表）應采用自動平衡電橋；動平衡電橋； 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、電感元件構成振蕩器的諧振電路。將電容傳感器與電容、電感元件構成振蕩器的諧振電路。當電容傳感器工作時，電容量發(fā)生變化，導致振蕩器的振當電容傳感器工作時，電容量發(fā)生變化，導致振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。但振蕩頻率變化的同時，振蕩器輸出幅蕩頻率發(fā)生變化。但振蕩頻率變化的同時，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量系統(tǒng)的輸出量，將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量， 用以判斷被測非電量的用以判斷被測

29、非電量的大小大小, 但此時系統(tǒng)是非線性的但此時系統(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, 將頻率的變化轉換為振幅的變化將頻率的變化轉換為振幅的變化, 經過放大就可以用儀器經過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。指示或記錄儀記錄下來。4.2.3調頻電路調頻電路鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu調頻振蕩器的振蕩頻率為調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。 當被測信號為當被測信號為0時時, 傳感器未工作時，傳感器未工作時，CX=C0，C =0, 則則C =C+Cc+C0, 所以振蕩器有一個固有頻率所以振蕩器有一個固有頻率f0, 當被測信號不為當被測信號不為 0 時時, C0, 振蕩器頻率有相應變化振蕩器頻率有相應變化, 此時頻此時頻率為率為 LCCCfc)(2100LCCCCfff)(21200 振蕩器輸出是一個受被測信號調制的調頻波，中心頻率振蕩器輸出是一個受被測信號調制的調頻波，中心頻率f0一般選在一般選在1MHZ以上。以上。調頻電容傳感器測量電路具有較高調頻電容傳感器測量電路具有較

31、高靈敏度靈敏度, 可以測至可以測至0.01 m級位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)級位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測量，便于與計算機通信字儀器測量，便于與計算機通信, 抗干擾能力強抗干擾能力強, 可以發(fā)送、可以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。接收以實現(xiàn)遙測遙控。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的對稱方波，的對稱方波，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為傳感器的兩個差動電容。為傳感器的兩個差動電容。

32、RL為負載電阻。為負載電阻。VD2VD1uC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I4.2.4雙雙T型電路型電路 當傳感器沒有輸入時，當傳感器沒有輸入時，C1=C2。其電路工作原理如下：當。其電路工作原理如下：當u為正半周時，二極為正半周時，二極管管VD1導通、導通、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）所示；在隨后負半周出現(xiàn)時，電容半周出現(xiàn)時，電容C1上的電荷通過電阻上的電荷通過電阻R1，負載電阻，負載電阻RL放電，流過放電，流過RL的電流為的電流為I1。當。當u為負半

33、周時，為負半周時，VD2導通、導通、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，所示；在隨后出現(xiàn)正半周時， C2通過電阻通過電阻R2，負載電阻，負載電阻RL放電，流過放電，流過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，在一個周期內流過，且方向相反，在一個周期內流過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, 此時在一個周期內通此時在一個周期內通過過RL上的平均電流不為零，上的平均電流不為零， 因此產生輸出電壓，輸出電壓在一因此產生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內平均值為個周期內平均值為 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。 當當RL已知，已知，)()()2(2常數(shù)MRRRRRRLLL則可改寫為則可改寫為 )(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，而且與不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與T形形網絡中的電容

35、網絡中的電容C1和和C2的差值有關。當電源電壓確定后，輸出電壓的差值有關。當電源電壓確定后，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，當電源頻率為的函數(shù)。該電路輸出電壓較高，當電源頻率為1.3 MHz，電源電壓，電源電壓U=46V時，電容在時，電容在-77pF變化，可以在變化，可以在1M負載上得到負載上得到-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，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，故輸入電源要求必須是穩(wěn)幅必須是穩(wěn)幅穩(wěn)頻和高頻高幅的對稱方波，以保證該電路具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度。穩(wěn)頻和高頻高幅的對稱方波，以保證該電路具有

36、較高的穩(wěn)定性和靈敏度。當當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，測量的非線性誤差很小。電路工作在線性區(qū)域時，測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無關，而僅與無關，而僅與R1、 R2及及RL有關，約為有關，約為1100k。輸。輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1 k的負載電阻上升時間為的負載電阻上升時間為20s左右，左右， 故可用來測量高速的機械運動。故可用來測量高速的機械運動。 )(21CCUfMUo 雙雙T型電路具有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應快、過載能力強、能在惡型電路具有結構簡單、

37、靈敏度高、動態(tài)響應快、過載能力強、能在惡劣環(huán)境（如高、低溫及強輻射）下正常工作的優(yōu)點劣環(huán)境（如高、低溫及強輻射）下正常工作的優(yōu)點電容傳感器引起測量誤差的因素及改進v1 溫度影響 溫度對介電常數(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2電容電場邊緣效應的影響 邊緣效應不僅使電容傳邊緣效應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生非線性，因此應盡產生非線性，因此應盡量消除或減小它。量消除或減小它。帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結構原理圖均勻電場1233邊緣電場216ln1rrhCrfddd 適當減小極間距減小極間距d，可減小邊緣效應的影響，但易產生擊穿并有可能限制測量

38、范圍。電極h應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的影響。增大極板面積r可在結構上增設等位環(huán)等位環(huán)來消除邊緣效應。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之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結構原理圖均勻電場1233邊緣電場 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聯(lián)，影響寄生電容、分布電容與傳感器電容相關聯(lián)，影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信

39、號影響儀器的精度，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）采用運算放大器法；（）采用運算放大器法；（ 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外界干擾(如電磁場)在傳感器上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生誤差。干擾信號足夠大時，儀器無法正常工作。此外，接地點不同所產生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。防止和減小干擾的措施歸納為： u屏蔽和接地。傳感器殼體；導線；傳感器與測量電路前置級等等。u增加原始電容量，降低容抗。u導線和導線之間要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。u盡可能一點接地，避免多點接地。地線要用粗的良導體或寬印制線。u采用差動式電容傳感器，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各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電