【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 小，在壓力作用下的電容量變化（絕對(duì)值）也很小。外界干擾信號(hào)、寄生電容、雜散電容等的影響是很大的。若把信號(hào)調(diào)理電路與敏感器件近距離做在同一芯片上，可減少干擾，使寄生電容小而穩(wěn)定。所以必須使硅電容式壓力傳感器集成化才有實(shí)際使用價(jià)值。27第 4章 電容式傳感器 2. 方形膜片：膜片尺寸為 aa， 鋁電極尺寸為 bb ， 其余尺寸與圓形膜片相同。其壓力差與位移的關(guān)系可用有限差分法分析，仍近似地有如電容式傳感器的關(guān)系 式中， ?d為有效位移，它與膜片中心最大位移的關(guān)系為 定義壓力靈敏系數(shù)為 方形膜片尺寸較大時(shí)受力分析較困難，且應(yīng)力集中在膜片中心。 在尺寸較小時(shí)，比圓形膜片位移量大，壓力靈敏度高 。 28第 4章 電容式傳感器 電容式傳感器的測(cè)量電路 電容式傳感器除采用電橋作為信號(hào)調(diào)理電路外，還可借助多種信號(hào)調(diào)理電路把微小的電容變化轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓、電流或頻率輸出。一、運(yùn)算放大器測(cè)量電路二、電橋電路三、二極管 T形網(wǎng)絡(luò)四、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路五、調(diào)頻測(cè)量電路六、諧振電路29第 4章 電容式傳感器 一般運(yùn)算放大器的放大倍數(shù) K 非常大，而且輸入阻抗 Zi 很高，運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容傳感器的比較理想的測(cè)量電路。 Cx 為 電容傳感器。 a點(diǎn)為虛地點(diǎn)， 。 Zi 很高， ，根據(jù)克希霍夫定律： 一、運(yùn)算放大器測(cè)量電路 如果傳感器是一只平板電容，則 運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板距離 d 成 線性 關(guān)系。 注意： 上式是在 K→∞ 、 Zi→∞ 的前提下得到的。由于實(shí)際的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù) K和 Zi總是一個(gè)有限值，所以，該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性誤差；當(dāng) K、 Zi足夠大時(shí)，這種誤差相當(dāng)小，可以使測(cè)量誤差在要求范圍之內(nèi)。 30第 4章 電容式傳感器 優(yōu)點(diǎn)： 解決了單個(gè)變極距式電容傳感器的 非線性 問題。 當(dāng)在結(jié)構(gòu)上 不易采用差動(dòng)電容 時(shí)（例如在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量頭為電容式傳感器的定極板，而振動(dòng)機(jī)械的任何一部分導(dǎo)電平面則作為動(dòng)極板，兩者組成單極板電容器傳感器），那么這種方案較使用單極板的其它電路能獲得更高的線性輸出。 按這種原理已制出了能測(cè)出 ?m的電容式測(cè)微儀。缺點(diǎn)： 此電路要求電源電壓穩(wěn)定，固定電容電容量穩(wěn)定，并要求運(yùn)放放大倍數(shù)與輸入阻抗足夠大。由于輸出也為交流電壓，需要精密整流變?yōu)橹绷麟妷狠敵?。這些附加電路將使 整個(gè)測(cè)量電路較為復(fù)雜 。v 在 必須使用單個(gè)變極距電容傳感器時(shí)采用此電路 。31第 4章 電容式傳感器 二、電橋電路 電容傳感器包括在電橋內(nèi)， C1與 C2以差動(dòng)形式接入相鄰兩個(gè)橋臂，另兩個(gè)橋臂可以是 電阻 、 電容 或 電感 ，也可以是變壓器的兩個(gè) 次級(jí)線圈 。用穩(wěn)頻、穩(wěn)幅和固定波形的低阻信號(hào)源去激勵(lì)，最后經(jīng)電流放大及相敏整流得到直流輸出信號(hào)。 左圖中 Z Z2可以是耦合的電感，這種電橋的靈敏度和穩(wěn)定度較高，且寄生電容影響小，簡(jiǎn)化了電路屏蔽和接地，適合于高頻工作。 右圖中另外兩橋臂為次級(jí)線圈，使用元件少，橋路內(nèi)阻小，應(yīng)用較多。 電橋平衡條件為： 當(dāng)差動(dòng)電容的動(dòng)極板移動(dòng) ?d 時(shí)，電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出電壓為 32第 4章 電容式傳感器 三、二極管 T 形網(wǎng)絡(luò) 美國(guó)麻省理工學(xué)院教授 1963年提出了二極管雙 T形交流電橋，又稱為二極管 T形網(wǎng)絡(luò)。 高頻電源可以是對(duì)稱方波或正弦波。 u當(dāng)電源為 正半周 時(shí) ,二極管 D1導(dǎo)通、 D2截止 ,電路可以等效為圖（ b）。此時(shí)電容 C1很快被充電至電壓 E， 電源 E經(jīng) R1以電流 I1向負(fù)載 RL供電，與此同時(shí)電容 C2經(jīng) R2和RL放電電流為 I2，流過 RL的電流 IL 為 I1和 I2之和；電路工作原理 ：33第 4章 電容式傳感器 u在隨后電源為負(fù)半周時(shí)， D2導(dǎo)通、 D1截止，電路可以等效為圖（ c）。此時(shí)電容 C2很快被充電至電壓 E，電源 E 經(jīng) R2以電流 I2?向負(fù)載 RL供電，與此同時(shí)電容 C1經(jīng) R1和 RL放電電流為 I1?，流過 RL的電流 IL?為 I1?和 I2?之和。若 D D2的特性相同， R1＝ R2，且 C1＝C2， 則流過 RL 的電流 IL與 IL?的平均值大小相等，方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過 RL的平均電流為零， RL上無電壓輸出 。 34第 4章 電容式傳感器 若 C1或 C2變化（ C1≠ C2） 時(shí)，流過 RL 的平均電流不為零，因而有信號(hào)輸出。輸出電壓 的平均值 為 輸出電壓不僅與電源的頻率 f 和其幅值 E 有關(guān)，而且與 T形網(wǎng)絡(luò)中的電容 C1和 C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容 C C2的函數(shù)。q C C2也可 只有一個(gè)改變。q 令35第 4章 電容式傳感器 二極管 T形網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)l 電源、傳感器電容以及輸出電路一端需要共地；l 工作電平很高，二極管 D1和 D2盡量為理想二極管，要求特性完全相 同，均工作在伏－安特性的線性區(qū)；l 電路靈敏度高，但與電源的幅值和頻率有關(guān)，因此電源需穩(wěn)壓穩(wěn)頻；l 線路十分簡(jiǎn)單，不需附加相敏解調(diào)器，即能獲得高電平的直流輸出；l 輸出阻抗與 R1和 R2同數(shù)量級(jí)，而與電容 C1和 C2無關(guān)，適當(dāng)選擇電阻 值，則輸出電流可用毫安表或微安表直接測(cè)量；l 負(fù)載電阻 RL 將影響電容放電速度，作動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)應(yīng)取值小一些，如 RL =1k就可作動(dòng)態(tài)測(cè)量；該網(wǎng)絡(luò)能用于高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量；l 非線性誤差很??；l 傳感器的頻率響應(yīng)取決于電源的頻率。36第 4章 電容式傳感器 四、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 ?組成： 比較器 A A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，差動(dòng)電容傳感器 C C2以及 R R D D2構(gòu)成充放電回路。?條件： R1＝ R2； D D2特性相同，工作在線性區(qū)；工作電源 U1比較器的參考電壓 Ur。?測(cè)量原理： 電源接通， Q＝ 1， A點(diǎn)為高電位，通過 R1對(duì)C1充電， UM上升，直到高于 Ur時(shí)比較器 A1產(chǎn)生脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， A點(diǎn)變?yōu)榈碗娢唬?C1通過 D1迅速 放電使UM接近零電位，此時(shí) B點(diǎn)為高電位，通過 R2對(duì) C2充電，UN上升，直到高于 Ur時(shí)比較器 A2產(chǎn)生脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器重新翻轉(zhuǎn)，37第 4章 電容式傳感器 252。 C1＝ C2時(shí)， C1和 C2充電時(shí)間相同，波形如圖 (a)，輸出電壓 uAB為等寬矩形波（ T1＝ T2）， 平均電壓值為零 。252。 C1 和 C2 值不相等 時(shí)，假設(shè) C1＞ C2， 則 C1和 C2充電時(shí)間發(fā)生變化，電壓波形如圖 (b)。 uAB為不等寬矩形波 （T1 ＞ T2） ， 平均電壓值不為零 (Uo＞ 0)， C C2相差越大，此值越大 。經(jīng)低通濾波器濾波后