電容式傳感器的分類、優缺點和電容式傳感器的測量轉換電路

2021-01-08 電子發燒友

　　電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉換成為電容量變化的一種轉換裝置，實際上就是一個具有可變參數的電容器。電容式傳感器廣泛用於位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。

　　

　　70年代末以來，隨著集成電路技術的發展，出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發展潛力的傳感器。

　　典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發生一定的變化，從而使電容發生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關係是非線性關係，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。

　　電容式傳感器的分類及其優缺點

　　電容式傳感器的分類

　　根據傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。

　　根據傳感器的結構可把電容式傳感器分為三種類型的結構形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據傳感器極板形狀分成平（圓形）板形和圓柱（圓筒）形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優於單組（單邊）式傳感器，它具有靈敏度高、線性範圍寬、穩定性高等特點。

　　電容式傳感器的優缺點

　　1、優點

　　（1）溫度穩定性好

　　電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，這有利於選擇溫度係數低的材料，又因本身發熱極小，影響穩定性甚微。而電阻傳感器有銅損，易發熱產生零漂。

　　（2）結構簡單

　　電容式傳感器結構簡單，易於製造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高溫，強輻射及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高衝擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。

　　（3）動態響應好

　　電容式傳感器由於帶電極板間的靜電引力很小（約幾個10^（-5）N），需要的作用能量極小，又由於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，動態響應時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用於動態測量。又由於其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用於測量高速變化的參數。

　　（4）可以非接觸測量且靈敏度高

　　可非接觸測量迴轉軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當採用非接觸測量時，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。

　　電容式傳感器除了上述的優點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力高，能感應0.01μm甚至更小的位移。由於其空氣等介質損耗小，採用差動結構並接成電橋式時產生的零殘極小，因此允許電路進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。

　　1、缺點

　　（1）輸出阻抗高，負載能力差。

　　無論何種類型的電容式傳感器，受電極板幾何尺寸的限制，其電容量都很小，一般為幾十到幾百皮法（pF），因此使電容式傳感器的輸出阻抗很高，可達 ～ Ω。由於輸出阻抗很高，因而輸出功率小，負載能力差，易受外界幹擾影響而產生不穩定現象，嚴重時甚至無法工作。

　　（2）寄生電容影響大。

　　電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容以及電容極板與周圍導體構成的電容等寄生電容卻較大。寄生電容的存在不但降低了測量靈敏度，而且引起非線性輸出。由於寄生電容是隨機變化的．因而使傳感器處於不穩定的工作狀態．影響測量準確度。

　　電容式傳感器的測量轉換電路

　　電容式傳感器把被測物理量轉換為電容變化後 ，將電容量轉換成電量的電路稱作電容式傳感器的轉換電路。目前較常採用的有電橋電路、調頻電路、脈衝調寬電路和運算放大器式電路等，這裡只介紹電橋電路和運算放大器電路。

　　一、 電橋電路

　　將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個或兩個相鄰臂，另外兩臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個次級線圈，如圖1所示。

　　

　　在圖1a單臂接法電橋電路中，電容C1、C2、C3、Cx構成電橋的四臂，CX為電容傳感器，當Cx改變時，U0≠0，有輸出電壓。

　　在圖1 b差動接法電橋電路中，其輸出電壓可用下式表示：

　　

　　由於電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需要採用穩幅、穩頻等措施。因此，在實際應用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達幾兆歐至幾十兆歐），輸出電壓幅值又小，所以必須後接高輸入阻抗放大器將信號放大後才能測量。

　　由電橋電路組成的系統原理框圖如圖2所示。

　　

　　二、調頻電路

　　將電容傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振迴路中，作為迴路的一部分。當被測量變化使傳感器電容改變時，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容所調製。其電路組成原理框圖如圖3所示。

　　

　　調頻振蕩器的頻率 ：

　　

　　特點：

　　？ 轉換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受幹擾。

　　？ 具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。

　　？ 但非線性較差，可通過鑑頻器（頻壓轉換）轉化為電壓信號後，進行補償。

　　三、運算放大器式電路

　　將電容傳感器接入開環放大倍數為A的運算放大電路中，作為電路的反饋組件，如圖4所示。圖中U是交流電源電壓，C是固定電容，Cx是傳感器電容，Uo是輸出信號電壓。

　　

　　由理想放大器的工作原理得：

　　

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