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

　　電容式傳感器是以各種類(lèi)型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)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(shí)際上就是一個(gè)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(dòng)、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)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(lái)，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x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(diǎn)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(shí)，薄膜會(huì)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(xiàn)性關(guān)系，因此，要用具有補(bǔ)償功能的測(cè)量電路對(duì)輸出電容進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償。

　　電容式傳感器的分類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)

　　電容式傳感器的分類(lèi)

　　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(lèi)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(lèi)型的結(jié)構(gòu)形式。它們又可按位移的形式分為線(xiàn)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(dòng)式一般優(yōu)于單組（單邊）式傳感器，它具有靈敏度高、線(xiàn)性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

　　電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

　　1、優(yōu)點(diǎn)

　?。?）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(wú)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(jiǎn)單

　　電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)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(guò)載等；能測(cè)量超高溫和低壓差，也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。

　?。?）動(dòng)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小（約幾個(gè)10^（-5）N），需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)量高速變化的參數(shù)。

　?。?）可以非接觸測(cè)量且靈敏度高

　　可非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。

　　電容式傳感器除了上述的優(yōu)點(diǎn)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(cè)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(dòng)結(jié)構(gòu)并接成電橋式時(shí)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(diǎn)

　?。?）輸出阻抗高，負(fù)載能力差。

　　無(wú)論何種類(lèi)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(shí)甚至無(wú)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(xiàn)路的引線(xiàn)電纜電容、電子線(xiàn)路的雜散電容以及電容極板與周?chē)鷮?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(cè)量靈敏度，而且引起非線(xiàn)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(cè)量準(zhǔn)確度。

　　電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

　　電容式傳感器把被測(cè)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(chēng)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(yùn)算放大器式電路等，這里只介紹電橋電路和運(yùn)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(gè)或兩個(gè)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(gè)次級(jí)線(xiàn)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(shí)，U0≠0，有輸出電壓。

　　在圖1 b差動(dòng)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(dòng)極小，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。因此，在實(shí)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(hào)放大后才能測(cè)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(cè)量變化使傳感器電容改變時(shí)，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(diǎn)：

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

　??？ 具有較高的靈敏度，可以測(cè)量高至0.01μm級(jí)位移變化量。

　　？ 但非線(xiàn)性較差，可通過(guò)鑒頻器（頻壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，進(jìn)行補(bǔ)償。

　　三、運(yùn)算放大器式電路

　　將電容傳感器接入開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為A的運(yùn)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(hào)電壓。

　　由理想放大器的工作原理得：