電容式傳感器的分類、優(yōu)缺點和電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

　　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(jī)械量轉(zhuǎn)換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)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(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)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(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?/p>

　　典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時，薄膜會發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)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(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進(jìn)行非線性補償。

　　電容式傳感器的分類及其優(yōu)缺點

　　電容式傳感器的分類

　　根據(jù)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(zhì)型三種類型。

　　根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)可把電容式傳感器分為三種類型的結(jié)構(gòu)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(jù)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(yōu)于單組（單邊）式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點。

　　電容式傳感器的優(yōu)缺點

　　1、優(yōu)點

　?。?）溫度穩(wěn)定性好

　　電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，這有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。

　?。?）結(jié)構(gòu)簡單

　　電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現(xiàn)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(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進(jìn)行測量。

　　（3）動態(tài)響應(yīng)好

　　電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很?。s幾個10^（-5）N），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(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)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)。

　?。?）可以非接觸測量且靈敏度高

　　可非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，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(yōu)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(yīng)0.01μm甚至更小的位移。由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動結(jié)構(gòu)并接成電橋式時產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)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(fù)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(dá) ～ Ω。由于輸出阻抗很高，因而輸出功率小，負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)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(dǎo)體構(gòu)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。由于寄生電容是隨機(jī)變化的．因而使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)．影響測量準(zhǔn)確度。

　　電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

　　電容式傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后 ，將電容量轉(zhuǎn)換成電量的電路稱作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路。目前較常采用的有電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大器式電路等，這里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(gòu)成電橋的四臂，CX為電容傳感器，當(dāng)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：

　　由于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，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。因此，在實際應(yīng)用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達(dá)幾兆歐至幾十兆歐），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放大后才能測量。

　　由電橋電路組成的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

　　二、調(diào)頻電路

　　將電容傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，作為回路的一部分。當(dāng)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(diào)制。其電路組成原理框圖如圖3所示。

　　調(diào)頻振蕩器的頻率 ：

　　特點：

　?。?轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號，可遠(yuǎn)距離傳輸不受干擾。

　　？ 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，可通過鑒頻器（頻壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)化為電壓信號后，進(jìn)行補償。

　　三、運算放大器式電路

　　將電容傳感器接入開環(huán)放大倍數(shù)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：