【正文】 電容傳感器正逐漸 成為一種高靈敏度 、 高精度 ， 在動(dòng)態(tài) 、 低壓及一些特殊測(cè)量方面大有發(fā)展前途的傳感器 。 否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加 ， 使輸出特性非線性 。 因此對(duì)電纜選擇 、 安裝 、 接法有要求 輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的 ， 雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善 ， 但不可能完全消除 。 高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗 ， 但放大 、 傳輸遠(yuǎn)比低頻時(shí)復(fù)雜 ， 且寄生電容影響加大 ， 難以保證工作穩(wěn)定 。 因此傳感器負(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 ， 必須采取屏蔽措施 ， 從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便 。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外 ， 還因帶電極板間的靜電引力極小 ， 因此所需 輸入能量極小 ， 所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量 ， 例如測(cè)量極低的壓力 、 力和很小的加速度 、 位移等 ， 可以做得很靈敏 ， 分辨力非常高 ， 能感受 。 4． 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量 、 具有平均效應(yīng) 當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下 ,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù) 。 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 。 此外傳感器可以做得體積很小 ， 以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量 。 2． 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 易于制造 。 采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量 ?C ????????????????? ???????? ????? 420 12 ??????CC（ 二 ） 特點(diǎn) 1． 溫度穩(wěn)定性好 傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān) ， 僅取決于電極的幾何尺寸 ， 且空氣等介質(zhì)損耗很小 ， 因此只要從強(qiáng)度 、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮 ， 合理選擇材料和幾何尺寸即可 ， 其他因素 (因本身發(fā)熱極小 ) 影響甚微 。 如果電容式傳感器輸出量采用 容抗 XC=1/(ωC) ， 那么被測(cè)量 ?δ 就與 ?XC成線性關(guān)系 ， 不需要滿足 ?δ δ 這一要求了 。 由于 δ 取值不能大 ， 否則將降低靈敏度 ， 因此變極距型電容式傳感器常工作在一個(gè)較小的范圍內(nèi) （ 1cm至零點(diǎn)幾 mm） ， 而且 ?δ 最大應(yīng)小于極板間距 δ 的 1/5～ 1/10。變面積型和變介電常數(shù)型電容式傳感器在忽略 邊緣效應(yīng) 時(shí)，其輸入被測(cè)量與輸出電容量呈線性關(guān)系，因而其靜態(tài)靈敏度為常數(shù) 顯然 ， 輸出電容 ?C與被測(cè)量之間是非線性關(guān)系 。 另外 ， 變極距型和變面積型電容式傳感器可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式來(lái)提高靜態(tài)靈敏度 ， 一般 提高一倍 。 ?????? ?????? ???? /1 10CCK g????????????????? ???????? ???????? ????? 4320 1?????????CKg靈敏度取決于 r2/r1， r2與 r1越接近 ， 靈敏度越高 。但 δ 過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為 3kV／ mm）。 對(duì)于變極距型其靜態(tài)靈敏度 kg為 可見(jiàn)其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時(shí)還隨被測(cè)量而變化。 這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù) A=∞ ， 輸入阻抗 Zi=∞ ， 因此仍然存在一定的非線性誤差 ， 但一般 A和 Zi足夠大 ，所以這種誤差很小 。 其原理如圖 將 Cx = 代入上式得 A ～ uo C Cx u ∑ 運(yùn)算放大器式 電路原理圖 負(fù)號(hào)表明輸出與電源電壓反相 。 另外 ， 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源 ， 其電壓穩(wěn)定度高 ， 不存在穩(wěn)頻 、 波形純度的要求 ， 也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 ， 對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高 。 這是十分可貴的性質(zhì) 。 Ur—觸發(fā)器的參考電壓。 R2 雙穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā)器 VD1 VD2 A1 A2 A B R1 C1 C2 uAB F Q Q Ur 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 G t uA uA uB uB uAB uAB UF UF UG UG Ur Ur Ur Ur U1 U1 T1 U1 U1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T2 U1 U1 U1 U1 T1 T2 t t t t t t t t t (a) (b) 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖 U0 UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓 U0為 12121121212110 UTTTTUTTTUTTTUUUBA ?????????UA、 UB—A點(diǎn)和 B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； T T2 —分別為 C1和 C2的充電時(shí)間； U1—觸發(fā)器輸出的高電位 。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。 UE (a) C1 C1 C2 UE RL RL R R R R + + + + iC1 iC2 i’C1 i’C2 同理，負(fù)半周時(shí)電容 C1的平均電流 : 在［ R＋（ RRL） /（ R＋ RL）］ C2T/2時(shí) , 電流 iC2的平均值 IC2可以寫成下式： 22 e x pCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC????????????????????????????20 220 222111 CURRRRTdtiTdtiTI ELLcTcC ????? ?? ?1121 CURRRRTI ELLC ???故在負(fù)載 RL上產(chǎn)生的電壓為 ? ? ? ? ? ?212210)(2 CCTURRRRRRIIRRRRU ELLLCCLL ???????電路特點(diǎn)： ①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響； ②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定； ③輸出阻抗為 R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)； ④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。其中二極管 VD1導(dǎo)通、 VD2截止，電容 C1被以極其短的時(shí)間充電、其影響可不予考慮，電容 C2的電壓初始值為 UE。 UE、周期為 T、占空比為 50％的方波。 二極管雙 T形電路 電路原理如圖 (a)。 而 變壓器式電橋 使用元件最少 ， 橋路內(nèi)阻最小 ， 因此目前較多采用 。 C0 Cp Rg L r Ce Re L re Ce 供電電源頻率為諧振頻率的 1/3~1/2 將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂 (另一個(gè)臂為固定電容 )或兩個(gè)相鄰臂 ， 另兩個(gè)臂可以是 電阻 或 電容 或電感 ， 也可是 變壓器的兩個(gè)二次線圈 。被儲(chǔ)存液體的 εr ＝ 。 2r1 2r2 hx )/ln(2120rrhA ???)/l n ()(2120rrK ??? ??例 某電容式液位傳感器由直徑為 40mm和 8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。 ?若忽略邊緣效應(yīng) ， 單組式平板形厚度傳感器如下圖 ，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為 δx 厚度傳感器 C1 C2 C3 C ????? //)( 0 xxabC????若忽略邊緣效應(yīng) ， 單組式平板形線位移傳感器如下圖 ， 傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為 C1 C2 C3 C C4 00 /)(//)( ???????xxxx labblC ????? a、 b、 lx:固定極板長(zhǎng)度和寬度及被測(cè)物進(jìn)入兩極板間的長(zhǎng)度 ； δ:兩固定極板間的距離； δx、 ε 、 ε 0:被測(cè)物的厚度和它的介電常數(shù) 、 空氣的介電常數(shù) 。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng) Δl時(shí)，電容變化量 ΔC為 )/l n(212 rrlC ?? ??llCrrlrrllrrlC ?????????0121212 )/l n(2)/l n()(2)/l n(2 ??????這類傳感器具有良好的線性 ,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。 ?????????????????????????? 0CSSSC 變面積型電容傳感器 變面積型電容傳感器中 ， 平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感 ， 測(cè)量精度受到影響 。 變極距型電容傳感器 圖中極板 1固定不動(dòng) ， 極板 2為可動(dòng)電極 (動(dòng)片 )， 當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí) ， 使兩極板間距變化 ， 從而使電容量產(chǎn)生變化 ， 其電容變化量 ΔC為 δ 2 變極距型電容傳感器 1 該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素 (如電源電壓、環(huán)境溫度 )的影響，常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。 其中差動(dòng) 式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。 ?位移 ：線位移和角位移兩種 。 δ 、 S和 ε r中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí) ， 就改變了電容C0、 δ或 S的變化可以反映線位移或角位移的變化 ， 也可以間接反映壓力 、 加速度等的變化； ε r的變化則可反映液面高度 、 材料厚度等的變化 。 電容器是電子技術(shù)的三大類無(wú)源元件 (電阻、電感和電容 )之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量 ,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。這便是電渦流傳感器的基本原理。從能量角度來(lái)看，在被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗）。 下圖為 CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理 ， 它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi) ， 形成線圈的結(jié)構(gòu)方式 。 fh r??50 30?（ 一 ） 結(jié)構(gòu)和工作原理 主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成 。 可見(jiàn) ， 渦流穿透深度 h和激勵(lì)電流頻率 f有關(guān) ， 所以渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率： 高頻反射式 或 低頻透射 式兩類 。 即渦流穿透深度愈小 ， 其穿透深度 h可表示 ρ—導(dǎo)體電阻率 (Ω 渦流大小與 導(dǎo)體電阻率 ρ、 磁導(dǎo)率 μ 以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間 距離 x， 線圈激勵(lì)電流的 頻率 f有關(guān) 。 ～ 220V 1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動(dòng)變壓器 6 銜鐵 7 罩殼 V 振蕩器 穩(wěn)壓電源 差動(dòng)變壓器 相敏檢波電路 1 2 3 4 5 6 7 這種變送器可分檔測(cè)量 (–5 105～ 6 105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為 (0～ 50)mV，精度為 。 可測(cè)量的振幅為 (～ 5)mm， 振動(dòng)頻率為 (0～ 150)Hz。 （ 四 ） 應(yīng)用 測(cè)量振動(dòng) 、 厚度 、 應(yīng)變 、 壓力 、 加速度等各種物理量 。同理可得 UCD0。 當(dāng) er負(fù)半周時(shí) ， R i1 ～ e1 R1 R2 e21 e22 C2 C1 er 移相器 D1 D4 D3 D2 C D A B i3 i2 i4 e UCD=R0(i4i3)0 ，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓 UCD0。 當(dāng)鐵芯在中間時(shí) ,e=0,只有 er起作用 ， 輸出電壓 UCD＝ 0。 圖中調(diào)制電壓 er和 e同頻 ， 經(jīng)過(guò)移相器使 er和 e保持同相或反相 ， 且滿足 ere。反之，如 f點(diǎn)為“ –‖ ，則電流路徑是 ehdcgf。 輸出的電壓波形見(jiàn)圖 （ b） ， 其值為 USC=eab＋ ecd。 可見(jiàn) ，無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何 ， 通過(guò)電阻 R的電流總是從 d到 c。 如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性