1、再見 5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 5.4.1 調頻電路調頻電路 5.4.2 運算放大器式電路運算放大器式電路 5.4.3 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋形交流電橋 5.4.4 環形二極管充放電法環形二極管充放電法 5.4.5 脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路 5.4.1 調頻電路調頻電路 調頻式測量電路原理框圖 鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu 調頻測量電路把電容式傳感器作為調頻測量電路把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, 當輸入量導致電容量發

2、生變化時，當輸入量導致電容量發生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發生變化。振蕩器的振蕩頻率就發生變化。 可以直接使用可以直接使用頻率計頻率計測量振蕩器的測量振蕩器的輸出頻率，從而判斷被測非電量的大小。輸出頻率，從而判斷被測非電量的大小。 但此時但此時系統是非線性系統是非線性的，的，不易校正。不易校正。 加入加入鑒頻器鑒頻器，將頻率的變化轉換為，將頻率的變化轉換為電壓振幅電壓振幅的變化，經過放大就可以用儀的變化，經過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。器指示或記錄儀記錄下來。 調頻式測量電路原理框圖 鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu12fLC L振蕩回路的電

3、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=C1+C2+Cx C1為振蕩回路的固有電容為振蕩回路的固有電容, C2為傳感器為傳感器引線的分布電容引線的分布電容, Cx=C0C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，C=0，則則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個固，所以振蕩器有一個固有頻有頻率率f0 , 012012()fCCC L 當被測信號不為當被測信號不為0時，時，C0， 振振蕩器頻率有相應變化，此時頻率為蕩器頻率有相應變化，此時頻率為 012012()fffCCCC L 調頻電容傳感器測量電路的優點：調頻電容傳感器測量電路的優點：

4、具有較高的靈敏度，具有較高的靈敏度， 可以測量可以測量0.01m的位移變化量。的位移變化量。 信號的輸出頻率易于用數字儀器測信號的輸出頻率易于用數字儀器測量，并與計算機通訊，量，并與計算機通訊， 抗干擾能力強，可以發送、抗干擾能力強，可以發送、 接收，接收， 以達到遙測遙控的目的。以達到遙測遙控的目的。 5.4.2 運算放大器式電路運算放大器式電路 運算放大器的放大倍數非常大，運算放大器的放大倍數非常大， 輸入阻抗輸入阻抗 Zi 很高。很高。 電容式傳感器使用運算放大器，可電容式傳感器使用運算放大器，可以設計出比較理想的測量電路。以設計出比較理想的測量電路。 cbICiUiIcxICxoUA

5、運算放大器式電路原理圖 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 是輸出信號電壓是輸出信號電壓; 是虛地點。是虛地點。 cbICiUiIcxICxoUA 運算放大器式電路原理圖 由運算放大器工作原理可得由運算放大器工作原理可得 o-=-ixC UCU（0）（0）oixCUUC cbICiUiIcxICxoUA 運算放大器式電路原理圖 “”號表示輸出電壓號表示輸出電壓Uo 的相位與電的相位與電源電壓源電壓反相反相。 如果傳感器是一個平板電容，則如果傳感器是一個平板電容，則oiCUUdA oiCUUdA 運算放大器的輸出電壓與極板間距運算放大器的輸

6、出電壓與極板間距離離 d 成成線性線性關系。關系。 運算放大器式電路的主要優點：運算放大器式電路的主要優點： 解決了單個變極板間距離式電容傳解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。感器的非線性問題。 實現這一功能的前提：實現這一功能的前提： Zi 足夠大。足夠大。 放大倍數足夠大。放大倍數足夠大。 儀器精度的保證：儀器精度的保證： 電源電壓電源電壓 Ui 的幅值穩定；的幅值穩定； 固定電容固定電容 C 值穩定。值穩定。 oiCUUdA 5.4.3 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋形交流電橋 圖5-13 二極管雙T形交流電橋 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(

7、a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I e：高頻電源：高頻電源對稱方波對稱方波VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管。為特性完全相同的兩只二極管。 固定電阻固定電阻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。 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 當傳感器沒有輸入時，當傳感器沒有輸入時，C1=C2。 當當e為為正半周正半周時，二極管時，二極管VD1導通

8、、導通、VD2截止，于是電容截止，于是電容C1充電，其等效電充電，其等效電路如圖路如圖5-13（b）所示；）所示； VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 二極管雙T形交流電橋 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 負半周負半周時，時，C1上的電荷通過上的電荷通過R1，RL放電，流過放電，流過RL的電流為的電流為I1。 當當e為負半周時，為負半周時，VD2導通、導通、VD1截截止，則電容止，則電容C2充電。充電。 VD2VD1eC1C2A

9、BR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 二極管雙T形交流電橋 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 在隨后出現正半周時，在隨后出現正半周時，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的電流為的電流為I2 。 根據上面所給的條件，則電流根據上面所給的條件，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的平的平均電流為零。均電流為零。 若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0，則，則C1C2, I1I2, 此時在

10、一個周期內通過此時在一個周期內通過RL上的平上的平均電流不為零，均電流不為零， 因此產生輸出電壓。因此產生輸出電壓。 輸出電壓在一個周期內的平均值：輸出電壓在一個周期內的平均值： 1201221( )( )(2)()()ToLLLLLLUI RI tIt dtRTR RRRUfCCRR 122(2)()()LoLLR RRUR Uf CCRR f 為電源頻率。為電源頻率。 當當RL已知，已知， 2(2)()()LLLR RRRMRR常數 輸出電壓輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與頻率有關，而且與T形網絡中的電容形網絡中的電容C1和和C2的差值有關。的差值有關。

11、 當電源電壓確定后，輸出電壓當電源電壓確定后，輸出電壓Uo是是電容電容C1和和C2的函數。的函數。12()oUU fMCC 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋的特點：形交流電橋的特點： 輸出電壓較高。輸出電壓較高。 f1.3MHz，電源電壓，電源電壓U=46V，電，電容在容在77 pF 變化，可以在變化，可以在1M負載上負載上得到得到5 5V的直流輸出電壓。的直流輸出電壓。 電路的靈敏度：電路的靈敏度： 電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，故輸入電源要求穩定。率有關，故輸入電源要求穩定。 測量電路的非線性誤差：測量電路的非線性誤差： 適當提高適當提高 U 幅值，使

12、二極管幅值，使二極管VD1、VD2工作在工作在線性區域線性區域，可以減小測量的非，可以減小測量的非線性誤差。線性誤差。 測量電路的輸出阻抗：測量電路的輸出阻抗： 電路的輸出阻抗與電容電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關，無關， 僅與僅與R1、 R2 及及 RL 有關，有關， 約為約為1100k。 輸出信號的上升沿時間：輸出信號的上升沿時間： 上升沿時間取決于負載電阻。上升沿時間取決于負載電阻。 對于對于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， 可用來測量高速的機械運動。可用來測量高速的機械運動。5.4.4 環形二極管環形二極管充放電充放電法法環形二極管電容測量電路原理

13、圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 輸入方波加在電橋的輸入方波加在電橋的A點和地之間。點和地之間。環形二極管電容測量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 在設計時，由于在設計時，由于方波脈沖寬度方波脈沖寬度足以足以使電容器使電容器Cx和和Cd充、放電過程在方波平充、放電過程在方波平頂部分結束。頂部分結束。 工作原理：工作原理： 高頻方波信號源，通過一環形二極高頻方波信號源，通過一環形二極管電橋，對被測電容進行充放電，管電橋，對被測電容進行充放電， 環形二極管電橋輸出一個與被測電環形二極管電橋輸出一個與

14、被測電容成正比的容成正比的微安級微安級電流。電流。 電橋將發生如下的過程電橋將發生如下的過程: 當輸入的方波由當輸入的方波由E1躍變到躍變到E2時，時，電容電容Cx和和Cd兩端的電壓皆由兩端的電壓皆由E1充電到充電到E2。 環形二極管電容測量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 對電容對電容Cx充電的電流為充電的電流為 i1 所示的方所示的方向，對向，對 Cd 充電的電流為充電的電流為 i3 所示方向。所示方向。 在充電過程中在充電過程中(T1這段時間這段時間)，VD2、 VD4一直處于截止狀態。一直處于截止狀態。 在在T1這段時間內由這段時間

15、內由A點向點向C點流動的點流動的電荷量為電荷量為 q1=Cd(E2E1)。環形二極管電容測量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 當輸入的方波由當輸入的方波由E2返回到返回到E1時，時，Cx、Cd放電，它們兩端的電壓由放電，它們兩端的電壓由E2下下降到降到E1。 放電電流所經過的路徑分別為放電電流所經過的路徑分別為i2、 i4所示的方向。所示的方向。環形二極管電容測量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 在放電過程中在放電過程中(T2時間內時間內)，VD1、VD3 截止。截止。 在在T2這段時間

16、內由這段時間內由C點向點向A點流過的點流過的電荷量為電荷量為 q2=Cx(E2E1)。 設方波的頻率設方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘發生即每秒鐘發生的充放電過程的次數的充放電過程的次數)， 則由則由C點流向點流向A點的平均電流為點的平均電流為I2=Cx f (E2-E1), 而從而從A點流向點流向C點的平均點的平均電流為電流為I3=Cd f (E2-E1), 流過此支路的瞬時電流的平均值為流過此支路的瞬時電流的平均值為 2121()()()xdxdIC f EEC f EEf E CC ()xdIfE CC E為方波的幅值，為方波的幅值，E=E2E1。 令令Cx的初始值為的初始值為C0，Cx

17、為為Cx的增的增量，量，則則Cx=C0+Cx, 調節調節Cd=C0 則則 ()xdxIfE CCfEC xIfECI 正比于正比于Cx 。 5.4.5 脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路 脈沖寬度調制電路圖 雙穩態觸發器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ#A1A2Ur 脈沖寬度調制電路電壓波形 當兩個差動電容器不相等時，由于當兩個差動電容器不相等時，由于充放電時間常數變化，此時充放電時間常數變化，此時uA、uB脈沖脈沖寬度不再相等，一個周期寬度不再相等，一個周期(T1+T2)時間內時間內的平均電壓值不為零。的平均電壓值不為零。 此此 uAB 電壓經低通濾波器濾波后，電壓經低通濾波

18、器濾波后，可獲得可獲得 Uo 輸出。輸出。 U1觸發器輸出觸發器輸出高電平高電平； T1、T2Cx1、Cx2充電至充電至Ur時所需時間。時所需時間。 Ur是并比較器的參考電壓。是并比較器的參考電壓。 12112oABTTUUUUTT 脈沖寬度調制電路電壓波形 uAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b) 111112222111xrxrUTR CnUUUTR CnUU 12112xxoxxCCUUCC 在變極板距離的情況下在變極板距離的情況下 21112oddUUdd d1、d2

19、分別為分別為Cx1、Cx2極板間距離。極板間距離。 當差動電容當差動電容Cx1=Cx2=C0， 即即d1=d2=d0，Uo=0； 若若Cx1Cx2， 設設Cx1 Cx2 ，即即d1=d0d, d2=d0+d, 則有則有10odUUd 同樣，在變面積電容傳感器中，同樣，在變面積電容傳感器中， 1oAUUA 差動脈寬調制電路的適用范圍：差動脈寬調制電路的適用范圍： 適用于變極板距離以及變面積差動適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器。式電容傳感器。 10odUUd1oAUUA 差動脈寬調制電路的優點：差動脈寬調制電路的優點： 線性輸出，線性輸出， 轉換效率高，轉換效率高， 經過低通放大器就有較

20、大的直流輸出，經過低通放大器就有較大的直流輸出， 調寬頻率的變化對輸出沒有影響。調寬頻率的變化對輸出沒有影響。 5.5 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 5.5.3 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 差動式電容壓力傳感器結構圖 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過濾器 膜片為膜片為動電極動電極，兩個在，兩個在凹形玻璃上凹形玻璃上的金屬鍍層的金屬鍍層為固定電極，構成差動電容為固定電極，構成差動電容器。器。 當被測壓力或壓力差作用于膜片并當被測壓力

21、或壓力差作用于膜片并產生位移時，所形成的兩個電容器的電產生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，容量，一個增大， 一個減小。一個減小。 該電容值的變化經測量電路轉換該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。壓的變化。 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 差動式電容加速度傳感器結構圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體 當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，質量塊在慣性空向作直線加速運動時，質量塊在慣性空間中相對靜止，間中相

22、對靜止， 兩個固定電極將相對于質量塊在垂兩個固定電極將相對于質量塊在垂直方向產生大小正比于被測加速度的位直方向產生大小正比于被測加速度的位移。移。 此位移使兩電容的間隙發生變化，此位移使兩電容的間隙發生變化，一個增加，一個減小，一個增加，一個減小， 從而使從而使C1、C2產生大小相等、符號產生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點：電容式加速度傳感器的主要特點： 頻率響應快和量程范圍大，大多采頻率響應快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質。用空氣或其它氣體作阻尼物質。 5.5.3 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器 檢測金屬帶材的厚度。檢測金屬帶材的厚度。 差動式電容測厚儀系統組成框圖 音 頻 信 號 發 生 器音 頻 放 大 器全 波 整 流 器差 動 放 大 器C0C1C2RRCT 在被測帶材的上下兩側各置放一塊在被測帶材的上下兩側各置放一塊面積