1、1同學(xué)們好！同學(xué)們好！第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1傳感器的工作原理及類型傳感器的工作原理及類型4.2電容傳感器的靈敏度及非線性電容傳感器的靈敏度及非線性4.3電容傳感器的特性等效電路電容傳感器的特性等效電路4.4電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路4.6電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器的應(yīng)用舉例34.3 電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路4.3.1 電容傳感器的特點(diǎn)電容傳感器的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 4 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響

2、應(yīng)好 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)點(diǎn)51.溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 電容傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)電容傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和結(jié)構(gòu)數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和結(jié)構(gòu)尺寸即可，其他因素影響甚微。尺寸即可，其他因素影響甚微。 電阻式傳感器電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；有電阻，供電后產(chǎn)生熱量； 電感式傳感器電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引存在銅損、渦流損耗等，引 起發(fā)

3、熱產(chǎn)生零漂。起發(fā)熱產(chǎn)生零漂。62.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng) 易制造、保證高的精度；易制造、保證高的精度； 能在高低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)及輻射等條件工作；能在高低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)及輻射等條件工作； 在高壓力、高沖擊、過(guò)載情況下都能工作；在高壓力、高沖擊、過(guò)載情況下都能工作； 體積可做得很小，滿足特殊要求測(cè)量。體積可做得很小，滿足特殊要求測(cè)量。73.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短，其介質(zhì)損耗小可以用較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短，其介質(zhì)損耗小可以用較高的頻率供電，故系統(tǒng)工作頻率高。的頻率供電，故系統(tǒng)工作頻率高。 測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力。測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力。4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)

4、量，具有平均效應(yīng) 采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面不平等測(cè)量的影響。應(yīng)，可以減小工件表面不平等測(cè)量的影響。8其他優(yōu)點(diǎn)：其他優(yōu)點(diǎn)： 其帶電極板間的靜電引力很小，所需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(cè)極低的輸入力和輸入能量極小，因而可測(cè)極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨率高；做得很靈敏，分辨率高； 其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差分結(jié)構(gòu)其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差分結(jié)構(gòu)并接成橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，允許電路并接成橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，允許電路進(jìn)行高倍率放

5、大，使儀器具有很高的靈敏進(jìn)行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。度。9 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 寄生電容影響大寄生電容影響大 輸出特性非線性輸出特性非線性 101.輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力差 由于電極的尺寸限制不宜做大，所以電容值由于電極的尺寸限制不宜做大，所以電容值達(dá)到幾到幾百微法，所以輸出阻抗高，負(fù)載能達(dá)到幾到幾百微法，所以輸出阻抗高，負(fù)載能力小，易受外界干擾而不穩(wěn)定。必須做好屏蔽力小，易受外界干擾而不穩(wěn)定。必須做好屏蔽措施。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值措施。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響

6、儀極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器性能。器性能。 采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻復(fù)雜，且寄生電容影高頻放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻復(fù)雜，且寄生電容影響大，不宜保證工作的穩(wěn)定性。響大，不宜保證工作的穩(wěn)定性。 112.寄生電流影響大寄生電流影響大 寄生電容：連接傳感器和電子線路的引線寄生電容：連接傳感器和電子線路的引線電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容。板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容。 降低了傳感器的靈敏度，而且由于其降低了傳感器的靈敏度，而且由于其隨機(jī)隨機(jī)變化變化影響測(cè)

7、量精度。影響測(cè)量精度。 采用屏蔽性好、自身分布電容小的高頻電采用屏蔽性好、自身分布電容小的高頻電線作為引線，且引線粗而短，要保證儀器的線作為引線，且引線粗而短，要保證儀器的雜散電容小而穩(wěn)定等等。雜散電容小而穩(wěn)定等等。123.輸出特性非線性輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性，雖可采用差分型改善，但不可能完全性，雖可采用差分型改善，但不可能完全消除。只有忽略電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出消除。只有忽略電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將于傳感器電容量直接疊加，使加電容量將于傳感器電容量直

8、接疊加，使輸出特性非線性。輸出特性非線性。134.3 電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路4.3.2 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 如圖如圖4-4（a）平板電容器，研究從輸出端）平板電容器，研究從輸出端A、B兩點(diǎn)來(lái)看等效電路。兩點(diǎn)來(lái)看等效電路。 如圖如圖4-4（b）所示，其中）所示，其中L為傳感器的電感；為傳感器的電感；R為傳輸線的有功電阻，在集膚效應(yīng)（當(dāng)交變電流為傳輸線的有功電阻，在集膚效應(yīng)（當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流將集中在導(dǎo)體表面流通）較小通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流將集中在導(dǎo)體表面流通）較小的情況下，的情況下， 即當(dāng)傳感器的激勵(lì)電壓頻率較低時(shí)，即當(dāng)傳感器的激勵(lì)電

9、壓頻率較低時(shí)，其值甚?。黄渲瞪跣。籆為傳感器的電容；為傳感器的電容；Cp為歸結(jié)為歸結(jié)A、B兩兩端的并聯(lián)寄生電容；端的并聯(lián)寄生電容；Rp為極板間等效漏電電阻，為極板間等效漏電電阻，選取保證足夠大。選取保證足夠大。14圖4-4 電容式傳感器的等效電路15 從上述等效電路可知，從上述等效電路可知，在較低頻率下使用時(shí)在較低頻率下使用時(shí)（激勵(lì)電路頻率）較低），（激勵(lì)電路頻率）較低），L及及R可以忽略不計(jì)，可以忽略不計(jì)，而只考慮而只考慮Rp對(duì)傳感器的分路作用。對(duì)傳感器的分路作用。當(dāng)使用頻率增當(dāng)使用頻率增高時(shí)，高時(shí)，就應(yīng)考慮就應(yīng)考慮L及及R的影響，而且主要是的影響，而且主要是L的存的存在使得在使得AB兩端的

10、等效電容兩端的等效電容Ce隨頻率增加而增加，隨頻率增加而增加，由下式可求的由下式可求的Ce：LCCCe21 同時(shí)傳感器的靈敏度同時(shí)傳感器的靈敏度ke也將隨激勵(lì)源頻率改變也將隨激勵(lì)源頻率改變dCkeeLCCCCjLjCjee211116 Ce電容傳感器等效電容由于輸入被電容傳感器等效電容由于輸入被測(cè)量測(cè)量d d的改變而產(chǎn)生的增量的改變而產(chǎn)生的增量22)1 (LCCCe 即有即有22)1 (LCkke 在較高激勵(lì)頻率下使用這種傳感器時(shí)，每當(dāng)改在較高激勵(lì)頻率下使用這種傳感器時(shí)，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電線時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電線時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。1

11、74.4 電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 電容式傳感器所具有的高靈敏度、高電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨(dú)特的特點(diǎn)是與其精度等獨(dú)特的特點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì)、正確正確設(shè)計(jì)、正確選材以及精細(xì)加工工藝選材以及精細(xì)加工工藝分不開。分不開。 在設(shè)計(jì)傳感器的過(guò)程中，在所要求的在設(shè)計(jì)傳感器的過(guò)程中，在所要求的量程、溫度和壓力范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具量程、溫度和壓力范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使它具有低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠有低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和好的頻率響應(yīng)等，但一般不易達(dá)到理想和好的頻率響應(yīng)等，但一般不易達(dá)到理想程度，因此經(jīng)常采用折中方案。程度，因此經(jīng)常采用折中方案。184.4.1保證

12、絕緣材料的絕緣性能保證絕緣材料的絕緣性能 減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，以保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變差，以保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變化使傳感器內(nèi)個(gè)零件的幾何尺寸的相互位化使傳感器內(nèi)個(gè)零件的幾何尺寸的相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而改變電容傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差。改變電容傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方阻值。必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有面來(lái)減小溫度等誤差

13、和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。高的絕緣性能。191、傳感器的金屬電極的材料選溫度系數(shù)低的鐵鎳合金傳感器的金屬電極的材料選溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好（難加工）；或在陶瓷或石英上噴鍍合金或銀的為好（難加工）；或在陶瓷或石英上噴鍍合金或銀的工藝（薄工藝（薄)，可減少邊緣效應(yīng)；，可減少邊緣效應(yīng)；2、密封或電極表面鍍上極薄的惰性金屬層。（防塵、密封或電極表面鍍上極薄的惰性金屬層。（防塵、防溫、防濕、防腐蝕等）；防溫、防濕、防腐蝕等）；3、電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外還要有穩(wěn)定的性能（溫度系數(shù)小和幾何尺寸、穩(wěn)定性好、并具有高性能（溫度系數(shù)小和幾何尺寸、穩(wěn)定性

14、好、并具有高的絕緣電阻、低的吸潮和高的表面電阻的材料做支架；的絕緣電阻、低的吸潮和高的表面電阻的材料做支架；4、盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近視為盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近視為零的電介質(zhì)（也不受到濕度變化的影響）作為傳感器零的電介質(zhì)（也不受到濕度變化的影響）作為傳感器的電介質(zhì)。的電介質(zhì)。差分對(duì)稱結(jié)構(gòu)204.4.2消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小邊緣效應(yīng) 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。 適當(dāng)減小極間距，使適當(dāng)減小極間距，使極徑與間距比更大極徑與間距比更大，

15、可減，可減少邊緣效應(yīng)，但少邊緣效應(yīng)，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍圍。也可以采用上述電極放得極薄使與間距相比。也可以采用上述電極放得極薄使與間距相比很小的方法來(lái)減少邊緣電場(chǎng)的影響。除此之外，很小的方法來(lái)減少邊緣電場(chǎng)的影響。除此之外，可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)，如圖可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)，如圖4-5（a）、（）、（b）所示。）所示。等位環(huán)等位環(huán)3與電極與電極2等電等電位，這樣就能使電極位，這樣就能使電極2的邊緣電子線平直，兩電的邊緣電子線平直，兩電極間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在極間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)等位環(huán)3的

16、外周，不影響工作。的外周，不影響工作。21圖圖4-5 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖22 4.4.3消除和減小寄生電容的影響消除和減小寄生電容的影響 寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)，影響傳感器的靈寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)，影響傳感器的靈 敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它。必須消除和減小它。 23 1、增加原始電容值可減小寄生電容的影響：、增加原始電容值可減小寄生電容的影響： 采用采用減小極片或極筒間的間距，增加工作面積或工減小極片或極筒間的間距，增加工作面積或工作長(zhǎng)度作長(zhǎng)度來(lái)增加原始

17、電容值。但這受到加工及裝配工藝、精來(lái)增加原始電容值。但這受到加工及裝配工藝、精度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。度、示值范圍、擊穿電壓、結(jié)構(gòu)等限制。2、注意傳感器的接地和屏蔽：、注意傳感器的接地和屏蔽： 圖圖4-6為采用接地屏蔽的圓筒電容傳感器。圖中為采用接地屏蔽的圓筒電容傳感器。圖中可動(dòng)極、筒與連桿固定在一起隨被測(cè)值位移。可動(dòng)極、筒與連桿固定在一起隨被測(cè)值位移?？蓜?dòng)極筒與可動(dòng)極筒與傳感器的屏蔽殼同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，固定極傳感器的屏蔽殼同為地，因此當(dāng)可動(dòng)極筒移動(dòng)時(shí)，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值保持不變。筒與屏蔽殼之間的電容值保持不變。 電纜引線也必須屏蔽到傳感器屏蔽殼內(nèi)。為了減電纜

18、引線也必須屏蔽到傳感器屏蔽殼內(nèi)。為了減少電纜電容的影響，應(yīng)盡量使用少電纜電容的影響，應(yīng)盡量使用短而粗短而粗的電纜線，縮短傳的電纜線，縮短傳感器至電子線路前置級(jí)的距離。感器至電子線路前置級(jí)的距離。24圖圖4-6 接地屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖接地屏蔽圓筒形電容傳感器示意圖253、將傳感器與電子線路的前置級(jí)、將傳感器與電子線路的前置級(jí)(集成化集成化)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級(jí)的電纜。省去傳感器至前置級(jí)的電纜。寄生電容大為減小而且易寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。（固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。（高溫、環(huán)境差）高溫、環(huán)境差）4、采用、采用“驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)技

19、術(shù)(也稱也稱“雙層屏蔽等位傳輸雙層屏蔽等位傳輸”技技術(shù)術(shù))： 圖圖4-7所示，傳感器與電子線路放置級(jí)間的引線為雙屏所示，傳感器與電子線路放置級(jí)間的引線為雙屏蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸導(dǎo)線（即電纜芯線）通蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸導(dǎo)線（即電纜芯線）通過(guò)過(guò)1：1放大器成為等電位，放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)蔽層之從而消除了芯線與內(nèi)蔽層之間的電容。間的電容。由于屏蔽層上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變由于屏蔽層上有隨傳感器輸出信號(hào)變化而變化的電壓，因此成為化的電壓，因此成為“驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路”采用這種技術(shù)可使電采用這種技術(shù)可使電纜線長(zhǎng)達(dá)纜線長(zhǎng)達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器性能。之遠(yuǎn)也不影響儀器性能。

20、外屏蔽層接大地外屏蔽層接大地或接儀器地，用來(lái)防止外電場(chǎng)的干擾。或接儀器地，用來(lái)防止外電場(chǎng)的干擾。26圖圖4-7 “驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)電原理圖技術(shù)電原理圖275、采用運(yùn)算放大器法：采用運(yùn)算放大器法： 圖圖4-8所示利用放大器的所示利用放大器的虛地虛地來(lái)減小電纜電容來(lái)減小電纜電容Cp影響的影響的電原理圖。圖中，電容傳感器的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接電原理圖。圖中，電容傳感器的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)，電纜的屏蔽層接儀器地，這時(shí)與運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)，電纜的屏蔽層接儀器地，這時(shí)與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/（1+K），），K為為開環(huán)放大倍數(shù)，開環(huán)放

21、大倍數(shù)，因而減小了電纜電容的影響因而減小了電纜電容的影響。外界干擾外界干擾因屏蔽層接儀器地，對(duì)芯線不起作用。傳感器的另一電因屏蔽層接儀器地，對(duì)芯線不起作用。傳感器的另一電極接大地，用來(lái)防止外電場(chǎng)的干擾。極接大地，用來(lái)防止外電場(chǎng)的干擾。若采用雙屏蔽層電若采用雙屏蔽層電纜，外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。纜，外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。28圖圖4-8 運(yùn)算放大器法電原理圖運(yùn)算放大器法電原理圖296、整體屏蔽法：、整體屏蔽法： 將電容傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路，傳輸電纜等用同一屏將電容傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路，傳輸電纜等用同一屏蔽殼屏蔽起來(lái)，蔽殼屏蔽起來(lái)，正確選取接地點(diǎn)來(lái)消除寄生電容的影響和防正確

22、選取接地點(diǎn)來(lái)消除寄生電容的影響和防止外界的干擾。止外界的干擾。圖圖4-9（a）為整體屏蔽法的應(yīng)用。接地點(diǎn)選）為整體屏蔽法的應(yīng)用。接地點(diǎn)選在電橋兩電阻橋臂中間，使電纜電容并在放大器的輸入端，在電橋兩電阻橋臂中間，使電纜電容并在放大器的輸入端，只影響放大器的輸入阻抗而不影響儀器的正常工作只影響放大器的輸入阻抗而不影響儀器的正常工作，但結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。當(dāng)采用差分電容傳感器、緊耦合變壓器供作電源較為復(fù)雜。當(dāng)采用差分電容傳感器、緊耦合變壓器供作電源并為橋臂，雙屏蔽電纜作為引線時(shí)（見(jiàn)圖并為橋臂，雙屏蔽電纜作為引線時(shí)（見(jiàn)圖4-9（b），電纜），電纜線則可長(zhǎng)達(dá)線則可長(zhǎng)達(dá)10m以上仍能工作。圖中外屏蔽層接

23、地，內(nèi)屏蔽以上仍能工作。圖中外屏蔽層接地，內(nèi)屏蔽層接變壓器二次側(cè)（副邊）、中間抽頭，層接變壓器二次側(cè)（副邊）、中間抽頭，使芯線與內(nèi)屏蔽層使芯線與內(nèi)屏蔽層間的電容和內(nèi)外屏蔽層電容相串聯(lián)后影響傳感器，因此大大間的電容和內(nèi)外屏蔽層電容相串聯(lián)后影響傳感器，因此大大減小了電纜電容的影響。減小了電纜電容的影響。30 圖4-9 兩個(gè)整體屏蔽法例子31 4.4.4 防止和減小外界干擾防止和減小外界干擾 屏蔽和接地。屏蔽和接地。 增加原始電容值以降低容抗。增加原始電容值以降低容抗。 導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，以減小導(dǎo)線間分布電容的導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，以減小導(dǎo)線間分布電容的靜電感應(yīng)。導(dǎo)線要盡可能短，最好成直角排列，靜電

24、感應(yīng)。導(dǎo)線要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。必須平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。 盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)按地。地線要用粗的盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)按地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰∷⒕€。良導(dǎo)體或?qū)捰∷⒕€。 盡量采用差動(dòng)式電容傳感電路，可減小非線性誤盡量采用差動(dòng)式電容傳感電路，可減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。干擾。 324.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 電容式傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)電容式傳感器把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)C0，從而使信號(hào)，從而使信號(hào)能傳輸、放大、運(yùn)算、處理、指示、記錄、

25、控制，得到能傳輸、放大、運(yùn)算、處理、指示、記錄、控制，得到所需的測(cè)量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作。所需的測(cè)量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作。 同時(shí)，還根據(jù)需要將電路參數(shù)同時(shí)，還根據(jù)需要將電路參數(shù)C進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電電壓、電流、頻率等電量參數(shù)。流、頻率等電量參數(shù)。 目前這樣的轉(zhuǎn)換電路種類很多，一般歸結(jié)為兩大類型目前這樣的轉(zhuǎn)換電路種類很多，一般歸結(jié)為兩大類型 1、調(diào)制型調(diào)制型 2、脈沖型脈沖型(或稱為電容充放電器或稱為電容充放電器)334.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 4.5.1 調(diào)制型電路調(diào)制型電路 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)幅電路調(diào)幅電路 1交流激勵(lì)法交流激勵(lì)法 2. 交流電橋電

26、路交流電橋電路 34 調(diào)頻測(cè)量電路是把電容式傳感器的電容器作為振調(diào)頻測(cè)量電路是把電容式傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，與一個(gè)電感元件配合成一蕩器諧振回路的一部分，與一個(gè)電感元件配合成一個(gè)個(gè)振蕩器諧振電路振蕩器諧振電路。當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容量。當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再通發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再通過(guò)鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換成振幅的變化，經(jīng)放過(guò)鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換成振幅的變化，經(jīng)放大器放大后進(jìn)行顯示，這種方法叫調(diào)頻法。大器放大后進(jìn)行顯示，這種方法叫調(diào)頻法。35cCCCC01振蕩回路固有電容振蕩回路固有電容引線分布電容引線

27、分布電容傳感器電容傳感器電容調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：下式?jīng)Q定：調(diào)頻振蕩器的固有頻率：調(diào)頻振蕩器的固有頻率：傳感器工作時(shí)，傳感器工作時(shí)，C變化，相應(yīng)變化，相應(yīng)的頻率：的頻率：振蕩器輸出是一振蕩器輸出是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)制波，其制的調(diào)制波，其 由下式?jīng)Q定：由下式?jīng)Q定：L)CCC(fc01021pLCfp21() 21010LCCCCfffcpm36 配有這種電路的系統(tǒng)，在其電路輸出端取得的是配有這種電路的系統(tǒng)，在其電路輸出端取得的是具有調(diào)幅波的電壓信號(hào)，其幅值近似地正比于被測(cè)具有調(diào)幅波的電壓信號(hào)，其幅值近似地正比于被測(cè)信號(hào)。信號(hào)。 1、交流激勵(lì)法、交

28、流激勵(lì)法37 次端的等效電路如圖次端的等效電路如圖4-11（b），其中），其中E2為二次側(cè)為二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：M耦合電路的互感系數(shù)耦合電路的互感系數(shù)振蕩源的頻率振蕩源的頻率IMjE圖中圖中L為變壓器二次線圈的電感值；為變壓器二次線圈的電感值；R為變壓器二次線為變壓器二次線圈的直流電阻值；圈的直流電阻值；Cx為電容傳感器的電容值為電容傳感器的電容值38即即21EIdtCRIdtdILx由上式可得由上式可得uc，其幅值的模，其幅值的模Uc為為222EudtduRCdtudLCccxcx222222)1 (xxCRLCEUc39如果傳感器初始電容值為如果傳感器初始電容值為C0，電感電容回

29、路的初始，電感電容回路的初始諧振頻率為諧振頻率為則有：則有：RLQLCf0000,12p且取將將0、Q及及K值代入上頁(yè)式中：值代入上頁(yè)式中：2022220211 11QQK2EQKuc40 圖圖4-12中的曲線中的曲線1作為此回路的諧振曲線。若激勵(lì)源的頻作為此回路的諧振曲線。若激勵(lì)源的頻率為率為f，則可確定其工作在，則可確定其工作在A點(diǎn)上。當(dāng)傳感器工作時(shí)，引起點(diǎn)上。當(dāng)傳感器工作時(shí)，引起電容值改變，從而將使諧振曲線左右移動(dòng)，電容值改變，從而將使諧振曲線左右移動(dòng)，工作點(diǎn)也在同工作點(diǎn)也在同一頻率一頻率f的縱坐標(biāo)直線上下移動(dòng)（如的縱坐標(biāo)直線上下移動(dòng)（如B、C點(diǎn)），點(diǎn)），可見(jiàn)最終在可見(jiàn)最終在電容傳感器的

30、電壓降將發(fā)生變化。因此，電路輸出的電信電容傳感器的電壓降將發(fā)生變化。因此，電路輸出的電信號(hào)是與激勵(lì)源同頻率，幅值則隨被測(cè)量的大小而改變的調(diào)號(hào)是與激勵(lì)源同頻率，幅值則隨被測(cè)量的大小而改變的調(diào)幅波。幅波。圖4-12 諧振曲線圖41將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)臂，將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)臂，另兩個(gè)臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變另兩個(gè)臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈。如圖壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈。如圖4-13所示：所示：圖中圖中U為電橋?yàn)殡姌螂娫措妷海娫措妷?，U0為電橋輸出電為電橋輸出電壓壓圖中圖中Cx是單極式電容傳感器的電容，是單極式電容傳感器的電

31、容，C0是與它匹配的固是與它匹配的固定電容，其值與傳感器初始電容相同。定電容，其值與傳感器初始電容相同。Cx1、Cx2為差分為差分式傳感器的兩個(gè)電容。式傳感器的兩個(gè)電容。U是電橋電源電壓，是電橋電源電壓，U0是電橋輸是電橋輸出電壓，出電壓，E為變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。測(cè)量前為變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。測(cè)量前Cx1=Cx2或或Cx=C0，電橋平衡、輸出電壓，電橋平衡、輸出電壓U0=0。測(cè)量時(shí)被測(cè)量變。測(cè)量時(shí)被測(cè)量變化使電容值隨之改變電橋失衡，其不平衡輸出電壓幅值化使電容值隨之改變電橋失衡，其不平衡輸出電壓幅值與被測(cè)量變化有關(guān)因此通過(guò)電橋電路將電容值變化轉(zhuǎn)換與被測(cè)量變化有關(guān)因此通過(guò)電橋電路將電容值變

32、化轉(zhuǎn)換成電量變化。成電量變化。42圖4-13 電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式43從電橋靈敏度考慮，圖從電橋靈敏度考慮，圖4-13（a）-（f），以（），以（f）形式為）形式為最高，（最高，（d）次之。在設(shè)計(jì)和選擇電橋形式時(shí)：）次之。在設(shè)計(jì)和選擇電橋形式時(shí)：1、靈敏度考慮靈敏度考慮2、輸出電壓是否穩(wěn)定、輸出電壓是否穩(wěn)定3、輸出電壓與電源電壓間的相移大小、輸出電壓與電源電壓間的相移大小4、電源與元件所允許的功率以及結(jié)構(gòu)上是否容易實(shí)現(xiàn)、電源與元件所允許的功率以及結(jié)構(gòu)上是否容易實(shí)現(xiàn)5、實(shí)際電橋電路中附加零點(diǎn)平衡調(diào)節(jié)，靈敏度調(diào)節(jié)等環(huán)、實(shí)際電橋電路中附加零點(diǎn)平衡調(diào)節(jié)，靈敏度調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)。節(jié)。圖中圖中U為

33、電橋?yàn)殡姌螂娫措妷?，電源電壓，U0為電橋輸出電為電橋輸出電壓壓44圖圖4-13（g）形式的電橋（緊耦合電臂電橋）具有）形式的電橋（緊耦合電臂電橋）具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻工作。工作。圖中圖中U為電橋?yàn)殡姌螂娫措妷?，電源電壓，U0為電橋輸出電為電橋輸出電壓壓圖圖4-13（h）形式電橋）形式電橋（變壓器式電橋），使用元件少，（變壓器式電橋），使用元件少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。該電橋兩臂是電源該電橋兩臂是電源變壓

34、器二次線圈。設(shè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為變壓器二次線圈。設(shè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E，另一兩臂為傳感，另一兩臂為傳感器的兩個(gè)電容，如果電橋所接的放大器的輸入阻抗即器的兩個(gè)電容，如果電橋所接的放大器的輸入阻抗即本電橋的負(fù)載阻抗本電橋的負(fù)載阻抗RL，則電橋輸出為：，則電橋輸出為：221210)(1)(REjCCRjCCUxxLxx45圖中圖中U為電橋?yàn)殡姌螂娫措妷海娫措妷?，U0為電橋輸出電為電橋輸出電壓壓RL時(shí)時(shí)：ECCCCUxxxx21210)(由上式可見(jiàn)，差分式電容傳感器接入變壓器式電由上式可見(jiàn)，差分式電容傳感器接入變壓器式電橋中，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)，對(duì)任何類型的橋中，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)，對(duì)任何類型的電容式傳

35、感器，電容式傳感器，電橋的輸出電壓與輸入量均成線電橋的輸出電壓與輸入量均成線性關(guān)系性關(guān)系。因此要求因此要求電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；傳感器必須工作在平衡位置附近，否頻等措施；傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性將增大；接有電容傳感器的交流電則電橋非線性將增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號(hào)放大后才能測(cè)量。后接高輸入阻抗放大器將信號(hào)放大后才能測(cè)量。464.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路4.5.2 脈沖型電路脈沖型電路 脈沖

36、型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種脈沖型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種性能較好，較常用的電路為性能較好，較常用的電路為 雙雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)型充放電網(wǎng)絡(luò) 脈沖調(diào)寬型電路脈沖調(diào)寬型電路47圖中圖中U為電橋?yàn)殡姌螂娫措妷海娫措妷?，U0為電橋輸出電為電橋輸出電壓壓圖圖4-14為雙為雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖中型充放電網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖中u為一對(duì)稱方波為一對(duì)稱方波的高頻電源，的高頻電源，C1和和C2為差分電容式傳感器的電容。對(duì)于為差分電容式傳感器的電容。對(duì)于單極式電容傳感器可以其中之一為固定電容，另一個(gè)為單極式電容傳感器可以其中之一為固定電容，另一個(gè)為傳感器電容。傳感器電容。RL為負(fù)

37、載電阻，為負(fù)載電阻，VD1、VD2為兩個(gè)理想二極為兩個(gè)理想二極管（導(dǎo)通管（導(dǎo)通R=0，截至，截至R=），R1、R2為固定電阻。為固定電阻。48圖4-14 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)4950圖4-15 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)等效電路51在負(fù)半周時(shí)，二極管在負(fù)半周時(shí)，二極管V VDD2 2導(dǎo)通、導(dǎo)通、V VDD1 1截止，電容截止，電容C C2 2很快被充電至電壓很快被充電至電壓U U；電源經(jīng)電阻；電源經(jīng)電阻R R2 2以以i i1 1 向負(fù)載電向負(fù)載電阻阻R RL L供電，與此同時(shí)，電容供電，與此同時(shí)，電容C C1 1經(jīng)電阻經(jīng)電阻R R1 1、負(fù)載電、負(fù)載電阻阻R RL L 放電，流過(guò)放電，流過(guò)R RL L 的

38、放電電流為的放電電流為i i2 2 。流過(guò)。流過(guò)R RL L的總的總電流電流i iL L 為為i i1 1 和和i i2 2 的代數(shù)和，的代數(shù)和，。 52因?yàn)橐驗(yàn)閂D1和和VD2的特性相同，且的特性相同，且R1R2;當(dāng)當(dāng)C1=C2時(shí)時(shí),流過(guò)流過(guò)RL的電流的電流IL和和IL的平均值大小相等，方向相的平均值大小相等，方向相反，在一周內(nèi)流過(guò)反，在一周內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零，的平均電流為零，RL上沒(méi)有上沒(méi)有電壓輸出電壓輸出。當(dāng)。當(dāng)C1或或C2變化時(shí)，在變化時(shí)，在RL上產(chǎn)生的平均上產(chǎn)生的平均電流不再為零，電流不再為零，因而有信號(hào)輸出因而有信號(hào)輸出。此時(shí)的輸出電壓：此時(shí)的輸出電壓：)()()2(212CCfURRRRRRULLLo53當(dāng)當(dāng)R1=R2=R，RL已