【正文】 電容式傳感器 電容式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。 它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強、抗 過載能力大及價格低廉等優(yōu)點。因此，可以用來測量壓力、力、 位移、振動、液位等參數(shù)。但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性 等缺點也給它的應(yīng)用帶來一定的局限。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 特別是集成電路的廣泛應(yīng)用，這些缺點也得到了一定的克服，進 一步促進了電容式傳感器的廣泛應(yīng)用。 電容式傳感器的基本原理及性能特點 電容式傳感器的基本工作原理可以用圖 。 設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為 A（ m2） ， 兩極板間的距離為 d（ m） ， 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為 ?（ Fm1） ， 在忽略板極邊緣影響的條件下 ， 平板電容器的電容量 C（ F） 為 C=?A/d （ 311） 由式 （ 31） 可以看出 ， ?， A， d三個參數(shù)都直接影響著電容量 C的大小 。 如果保持其中兩個參數(shù)不變 ， 而使另外一個參數(shù)改變 ， 則電容量就將發(fā)生變化 。 如果變化的參數(shù)與被測量之間存在一定函數(shù)關(guān)系 ， 那被測量的變化就可以直接由電容量的變化反映出來 。 所以電容式傳感器可以分為三種類型：改變極板面積的變面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式 。 Aεd圖3 . 1 . 1 平板電容bdaxΔ x圖3 . 1 . 2 直線位移型電容式傳感器 變面積式電容傳感器 圖 。 當動極板移動 △ x后 ， 覆蓋面積就發(fā)生變化 ， 電容量也隨之改變 ， 其值為 C=?b（ a△ x） /d=C0?b△ x/d （ 312） 電容因位移而產(chǎn)生的變化量為 其靈敏度為 可見增加 b或減小 d均可提高傳感器的靈敏度。 圖 。圖 。當動片有一角位移時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導致電容量的變化，此時電容值為 axCxdbCCC ????????? 00 ? dbxCK ??????)1()1(0 ????????? CdAC (313) xxxθa) b) c)圖3 . 1 . 3 變面積式電容傳感器的派生型a)角位移型 b)齒形極板型 c)圓筒型 圖 ， 其目的是為了增加遮蓋面積 ， 提高靈敏度 。 當齒板極板的齒數(shù)為 n， 移動 △ x后 ， 其電容量為 (314) 其靈敏度為 由前面的分析可得出結(jié)論 ， 變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù) ， 即輸出與輸入呈線形關(guān)系 。 )()( 0 xdbCnd xabnC ?????? ??xdbnnCCC ?????? ?0dbnxCK ?????? 變間隙式電容傳感器 圖 。圖中 1為固定極板， 2為與被測對象相連的活動極板。當活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板間的距離 d發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容量 C。 圖3 . 1 . 5 介質(zhì)面積變化的電容傳感器C BC Axxld1d2ε 1ε 212d圖3 . 1 . 4 變間隙式電容傳感器1 –固定極板 2 活動極板設(shè)極板面積為 A， 其靜態(tài)電容量為 ， 當活動極板移動 x后 ，其電容量為 (315) dAC ??22011dxdxCxd AC????? ?當 x＜＜ d時 則 (316) 由式（ 35）可以看出電容量 C與 x不是線性關(guān)系，只有當 x＜＜ d時，才可認為是最近似線形關(guān)系。同時還可以看出，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙 d過小時。但當 d過小時，又容易引起擊穿，同時加工精度要求也高了。為此 ,一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來改善這種情況。在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式結(jié)構(gòu)。 11 22 ?? dx )1(0 dxCC ?? 變介電常數(shù)式電容傳感器 當電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時 ， 其介電常數(shù)變化 ， 從而引起了電容量發(fā)生變化 。 此類傳感器的結(jié)構(gòu)形式有很多多種 ， 圖 。 這種傳感器可用來測量物位或液位 ， 也可測量位移 。 由圖中可以看出 ， 此時傳感器的電容量為 ；其中： 設(shè)極板間無 ε 2介質(zhì)時的電容量為： ；當 ε 2介質(zhì)插入兩極板間則有： BA CCC ?? 1212211 /)( )(。// ??? dd xlbCdd bxC BA ? ????2110 dd blC ?? ?)11()(CC21212101212211BA??????????????????ddlxCddxlbddbxC(317) 式（ 37）表明，電容量 C與位移 x呈線性關(guān)系。 電容式傳感器的常用測量電路 用于電容式傳感器的測量電路很多 ,常見的電路有 :普通交流電橋 、 緊耦合電感臂電橋 、 變壓器電橋 、 雙 T電橋電路 、 運算放大器測量電路 、 脈沖調(diào)制電路 、 調(diào)頻電路 。 在此主要介紹后四種電路 。 雙 T電橋電路 +C 1 C 2R 2R 1V 2V 1R L～u圖3 . 2 . 1 雙T 電橋電路u iu 0圖3 . 2 . 2 運算放大器式測量電路C 0C x 這種測量電路如圖 。 圖中C C2為差動電容式傳感器的電容 ，對于單電容工作的情況時 ， 可以使其中一個為固定電容 ， 另一個為傳感器電容 。 RL為負載電阻 ， VV2為理想二極管 ， R R2為固定電阻 。 電路的工作原理如下：當電源電壓 U為正半周時， V1導通， V2截止，于是 C1充電；當電源負半周時， V1截止， V2導通，這時電容 C2充電，而電容 C1則放電。電容 C1的放電回路由圖中可以看出，一路通過 R RL， 另一路通過 R R V2， 這時流過 RL的電流為 i1。 到了下一個正半周 ， V1導通 ， V2截止 ， C1又被充電 ， 而 C2則要放電 。 放電回路一路通過 RL、R2， 另一路通過 V R R2， 這時流過 RL的電流為 i2。 如果選擇特性相同的二極管 ， 用 R1=R2， C1=C2， 則流過 RL的電流 i1和 i2的平均值大小相等 ，方向相反 ， 在一個周期內(nèi)渡過負載電阻 RL的平均電流為零 ， RL上無電壓輸出 。 若 C1或 C2變化時 ， 在負載電阻 RL上產(chǎn)生的平均電流將不為零 ， 因而有信號輸出 。 此時輸出電壓值為 (321) )CU f ( CR)R(R )2RR ( Ru 21L2LL0 ??? 當 R1=R2=R， RL為已知時 ， 則 這一個常數(shù) ， 故式 （ 311） 又可寫成 (322) 雙 T電橋電路具有以下特點： I. 信號源 、 負載 、 傳感器電容和平衡電容有一個 公共的接地點 。 II. 二極管 V1和 V2工作在伏安特性的線性段 。 III. 輸出電壓較高 。 IV. 電路的靈敏度與電源頻率有關(guān) ， 因此電源頻率 需要穩(wěn)定 。 V. 可以用作動態(tài)測量 。 KR)R(R )2RR ( R L2LL ???)CK U f(Cu 210 ?雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器++C 1C 2R 2R 1+N 1N 2N 3V 1V 2RSu ru 0PMNB A－ 運算放大器式測量電路 電路的原理圖如圖 。 電容式傳感器跨接在高增益運算放大器的輸入端與輸出端之間 。 運算放大器的輸入阻抗很高 ， 因此可認為它是一個理想運算放大器 ， 其輸出電壓為