电容式传感器的测量电路.pdf

5.2电容式传感器的测量电路5.2.1电容传感器的等效电路图5-9电容传感器等效电路5.2.2测量电路1.电桥电路o U o(a)o U o(c)另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度 和稳定性，且寄生电容影 响极小、大大简化了电桥 A(d)的屏蔽和接地，适合于高 频电源下工作。变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，I 此目前较多采用。由于电桥输出电 压与电源电压成 比例，因此要求 电源电压波动极 小，需采用稳幅、稳频等措施，图5-12电桥测量电路在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感 器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压 幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放 大后才能测量。2.运算放大器电路Q为传感器，就为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放 大器输入电流为零，根据克 希霍夫定律，有：cx图5-13运算放大器测量电路如果传感器是一只平行板电容，贝U：代入(5-20)式得：可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距 离诚正比。运算放大器电路解决了单个变极 距型电容传感器的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗 无限大的条件下得出的，实际上该测量电路 仍然存在一定的非线性。3.二极管双T形电路贫&土 心()*C2图5-14二极管双T形电路+若将二极管理想化，则正半周时，二极管Di导通、D?截 止，电容G被以极短的时间充电至/，电容G的电压 初始值为 4,电源经以2；向号供电，而电容G经名、号放电，流过号的放电电流为流过号的总电流力 为2；和2a的代数和。在负半周时，二极管2导通、B截止，电容G很快被充电至电压纵;电源经电阻鸟以4向负 载电阻&供电，与此同时，电容G经电阻飞、负 载电阻号放电，流过&的放电电流为弓。流过 段的总电流与为非和&的代数和。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到 电容&的电流/2如下：2uF+Rl ufE R+Rr ER RRl expR+.-R+RrL在。2 I R+RJI r+rJI时，电流4的平均值可写成2T 12 力 X 2=,1 R+2R1idt-U kT R+R,电容G上的平均电流为:C11 R+2Rlj r-U石5 T R+R,故在负载&上产生的电压为:2)=当心已知时,RRl(R+2R)Ue(R+Rj T(G-G)RRl(R+2R)(R+R)u kK.f.UE(CC2)(5 24).为常数，设为M则输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且 与T形网络中的电容G和4的差值有关。当电源电 压确定后，输出电压只是电容G和G的函数。4、差动脉宽调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲 的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤 波器得到对应被测量变化的直流信号。G、G为差动式传感器的 两个电容，若用单组式，6A&则其中一个为固定电容，仇 其电容值与传感器电容初 始值相等；A1、A?是两个L 比较器，为其参考电压。s Q 双稳态 触发器R Q图5-16差动脉冲调宽电路G4 4 o差动脉冲调宽电国各点电压波形E根据电路知识可知:含S 4=金4、14T点和B点的矩形脉冲的直流分量;看、卷一分别为G和G的充电时间；口一触发器输出的高电位。G、G的充电时间看、与为：7=RCJn uurT2=R2C2 In (5-26)uurA.B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于工，B两点电压平均值与%之差，T4+5-UU(5-27)0B设7?=7?2=A，则一(5-28)G+C2说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传 感器两电容差值成正比。对于差动式变极距型电容传感器:d u p对于差动式变面积型电容传感器来说，设 电容器初始有效面积为与，变化量为AS,则滤波器输出为:/=可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差 动式电容传感器，并具有理论上的线性 特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求,也不需要相敏检波与解调等；对元件无 线性要求；经低通滤波器可输出较大的 直流电压，对输出矩形波的纯度要求也 不高。5、调频电路传感器电容PY_Q器 荡 振器 频 鉴图5-18调频式测量电路原理框图5.3电容式传感器的特点及设计 与应用中存在的问题5.3.1 电容传感器的特点1.电容式传感器的优点(1)温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小,只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小)影响甚微。(2)结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温 度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都 能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带 磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。3.动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小,（约10-5N）,需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻,因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此 系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参 数，如测量振动、瞬时压力等。4.可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情 况下，电容传感器可以完成测量任务。当 采用非接触测量时,电容式传感器具有平 均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测 量的影响。电容式传感器除上述优点之外，还因 带电极板间的静电引力极小，因此所需输 入能量极小，所以特别适宜低能量输入的 测量，例如测量极低的压力、力和很小的 加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨 力非常高。2.电容式传感器的缺点输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百pF,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗 高达106108Q。因此传感器负载能力差，易受 外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无 法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用 带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值 极高（几十MQ以上），否则绝缘部分将作 为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏 度降低），为此还要特别注意周围环境如 温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电 容影响加大，难以保证工作稳定。寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而其引线电 缆电容（12m导线可达800pF）、测量电路 的杂散电容以及传感器极板与其周围导体 构成的电容等“寄生电容”却较大。输出特性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线 性的，虽可采用差动结构来改善，但不可 能完全消除。其他类型的电容传感器只有 忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈 线性。否则边缘效应所产生的附加电容量 将与传感器电容量直接叠加，使输出特性 非线性。5.3.2设计与应用中存在的问题电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材 以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。1.绝缘材料的绝缘性能温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互 位置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变 传感器的电容量，产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值O 因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减 小温度等误差。电容式传感器的金属电极的材料以选用温度 系数低的铁镁合金为好，但较难加工。也可采 用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电 极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密 封；用以防尘、防潮。可在电极表面镀以极薄 的惰性金属（如错等）层，代替密封件起保护 作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可 减少表面损耗、降低温度系数。传感器内，电极的支架除要有一定的机械强 度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小 和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云 母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些 材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃 等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有 良好的绝缘性能，可以考虑选用。尽量采用空气或云母等介电常数的温度 系数近似为零的电介质（也不受湿度变化 的影响）作为电容式传感器的电介质。若 用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常 数随之改变，产生误差。这种误差虽可用 后接的电子电路加以补偿，但无法完全消在可能的情况下，传感器内尽量采用差动对 称结构，这样可以通过某些类型的测量电路（如 电桥）来减小温度等误差。选用50kHz至几MHz作为电容传感器的电 源频率，以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后 再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而 引起电容值变化和绝缘性能下降。壳体的刚性 要好，以免安装时变形。2.消除和减小边缘效应适当减小极间距，使电极直径或边长与 间距比增大，可减小边缘效应的影响，但 易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小,这样也可减小边缘电场的影响。+图5-19边缘效应3中_可在结构上增设等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此 电绝缘但等电位，使电极1和2之间的电场基本均 匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影 响传感器两极板间电场。电极2等位环30+图5-20带有等位环的平板式电容器传感器 边缘效应引起的非线性与变极距型电容式 传感器原理上的非线性恰好相反，在一定 程度上起了补偿作用。3.消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相并联，影响传 感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影 响仪器的精度，必须消除和减小它。(1)(3)(4)增加传感器原始电容值注意传感器的接地和屏蔽;集成化采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术(5)采用运算放大器法;(6)整体屏蔽法(1)增加传感器原始电容值采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm,圆筒式间距为0.15mm),增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在10-3/03 pF范围内,相对值变化在10Q1范围内。(2)集成化将传感器与测量电路本身或其前置级装 在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变,使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元 件的特点而不能在高、低温或环境差的场 合使用。（3）“驱动电缆”（双层屏蔽等位传输）技术当电容式传感器的电容值很小，而因某 些原因（如环境温度较高），测量电路只能与 传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不 影响仪器的性能。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线（即电缆芯线）通过增益为1的放大器成为等电位,从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。图5-21“驱动电缆”技术由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。当电容式传感器的初始电容值很大（几 百pF）时，只要选择适当的接地点仍可采 用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达 10m,仪器仍能正常工作。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的 负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很 高、具有容性负载、放大倍数为1（准确度 要求达1/10000）的同相（要求相移为零）放 大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大 器要求很高，电路复杂，但能保证电容式 传感器的电容值小于IpF时，也能正常工 作。(4)运算放大器法图5-22运算放大器利用运算放大器的虚地减小引线电缆 寄生电容G。电容传感器的一个电极经 电缆芯线接运算放大器的虚地2点,电缆的J八!蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并 联的为等效电缆电容4/(1+A),大大减 小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层 接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止 外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆，其外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。实际上，这是一种不完全的电缆“驱动 技术”，结构较简单。开环放大倍数A 越大，精度越高。选择足够大的A值可 保证所需的测量精度。(5)整体屏蔽法将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正 确选取接地点可减小寄生电容的影响和防 止外界的干扰。G和G构成差动电容传感器，与平衡电阻 Z和&组成测量电桥，CP1和为寄生 电容。图5-23交流电桥的整体屏蔽蔽层接地点选择在两平衡电阻阻抗臂4 和2中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的 寄生电容。1和 分别与Z和冬相并联。如果冬和&比31和3的容抗小得多，则寄生电容。1和 3 对电桥平衡状态的 影响就很小。最易满足上述要求的是变压器电桥。图5-11变压器式交流电桥4和4是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过4和4的电流大小基 本相等但方向相反。因4和4在结构上完 全对称，所以线圈中的合成磁通近于零,4和4仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它 们都很小。结果寄生电容41和斗2对4和4的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影响交流电桥的平衡。还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容和 G之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m以上时仍能测 出IpF的电容。(6)防止和减小外界干扰当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线 之间感应出电压并与信号一起输送至测量 电路时就会产生误差。干扰信号足够大时,仪器无法正常工作。此外，接地点不同所 产生的接地电压差也是一种干扰信号，也 会给仪器带来误差和故障。防止和减小干 扰的措施归纳为：屏蔽和接地。传感器壳体、导线、传感器与测量电路前置级等。增加原始电容量，降低容抗。导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时,可采用同轴屏蔽电缆线尽可能一点接地，避免多点接地。地线 要用粗的良导体或宽印制线。采用差动式电容传感器，减小非线性误 差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的 影响和温度、湿度等误差。