电容式传感器-2

1、1同学们好！同学们好！第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器4.1传感器的工作原理及类型传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的特性等效电路电容传感器的特性等效电路4.4电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点4.5电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路4.6电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例34.3 电容式传感器的特点及等效电路电容式传感器的特点及等效电路4.3.1 电容传感器的特点电容传感器的特点 优点优点 缺点缺点 4 优点：优点： 温度稳定性好温度稳定性好 结构简单、适应性强结构简单、适应性强 动态响应好动态响

2、应好 可以实现非接触测量，具有平均效应点可以实现非接触测量，具有平均效应点51.温度稳定性好温度稳定性好 电容传感器的电容值一般与电极材料无电容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，且空气等关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和结构数等机械特性考虑，合理选择材料和结构尺寸即可，其他因素影响甚微。尺寸即可，其他因素影响甚微。 电阻式传感器电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；有电阻，供电后产生热量； 电感式传感器电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引存在铜损、涡流损耗等，引 起发

3、热产生零漂。起发热产生零漂。62.结构简单、适应性强结构简单、适应性强 易制造、保证高的精度；易制造、保证高的精度； 能在高低温、强磁场及辐射等条件工作；能在高低温、强磁场及辐射等条件工作； 在高压力、高冲击、过载情况下都能工作；在高压力、高冲击、过载情况下都能工作； 体积可做得很小，满足特殊要求测量。体积可做得很小，满足特殊要求测量。73.动态响应好动态响应好 动态响应时间很短，其介质损耗小可以用较高动态响应时间很短，其介质损耗小可以用较高的频率供电，故系统工作频率高。的频率供电，故系统工作频率高。 测量振动、瞬时压力。测量振动、瞬时压力。4.可以实现非接触测量，具有平均效应可以实现非接触测

4、量，具有平均效应 采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面不平等测量的影响。应，可以减小工件表面不平等测量的影响。8其他优点：其他优点： 其带电极板间的静电引力很小，所需其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨率高；做得很灵敏，分辨率高； 其空气等介质损耗小，采用差分结构其空气等介质损耗小，采用差分结构并接成桥式时产生的零残极小，允许电路并接成桥式时产生的零残极小，允许电路进行高倍率放

5、大，使仪器具有很高的灵敏进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。度。9 缺点：缺点： 输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大寄生电容影响大 输出特性非线性输出特性非线性 101.输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差 由于电极的尺寸限制不宜做大，所以电容值由于电极的尺寸限制不宜做大，所以电容值达到几到几百微法，所以输出阻抗高，负载能达到几到几百微法，所以输出阻抗高，负载能力小，易受外界干扰而不稳定。必须做好屏蔽力小，易受外界干扰而不稳定。必须做好屏蔽措施。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值措施。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响

6、仪极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器性能。器性能。 采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频复杂，且寄生电容影高频放大、传输远比低频复杂，且寄生电容影响大，不宜保证工作的稳定性。响大，不宜保证工作的稳定性。 112.寄生电流影响大寄生电流影响大 寄生电容：连接传感器和电子线路的引线寄生电容：连接传感器和电子线路的引线电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容。板与其周围导体构成的电容。 降低了传感器的灵敏度，而且由于其降低了传感器的灵敏度，而且由于其随机随机变化变化影响测

7、量精度。影响测量精度。 采用屏蔽性好、自身分布电容小的高频电采用屏蔽性好、自身分布电容小的高频电线作为引线，且引线粗而短，要保证仪器的线作为引线，且引线粗而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等等。杂散电容小而稳定等等。123.输出特性非线性输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线变极距型电容传感器的输出特性是非线性，虽可采用差分型改善，但不可能完全性，虽可采用差分型改善，但不可能完全消除。只有忽略电场的边缘效应时，输出消除。只有忽略电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将于传感器电容量直接叠加，使加电容量将于传感器电容量直

8、接叠加，使输出特性非线性。输出特性非线性。134.3 电容式传感器的特点及等效电路电容式传感器的特点及等效电路4.3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 如图如图4-4（a）平板电容器，研究从输出端）平板电容器，研究从输出端A、B两点来看等效电路。两点来看等效电路。 如图如图4-4（b）所示，其中）所示，其中L为传感器的电感；为传感器的电感；R为传输线的有功电阻，在集肤效应（当交变电流为传输线的有功电阻，在集肤效应（当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流通）较小通过导体时，电流将集中在导体表面流通）较小的情况下，的情况下， 即当传感器的激励电压频率较低时，即当传感器的激励电

9、压频率较低时，其值甚小；其值甚小；C为传感器的电容；为传感器的电容；Cp为归结为归结A、B两两端的并联寄生电容；端的并联寄生电容；Rp为极板间等效漏电电阻，为极板间等效漏电电阻，选取保证足够大。选取保证足够大。14图4-4 电容式传感器的等效电路15 从上述等效电路可知，从上述等效电路可知，在较低频率下使用时在较低频率下使用时（激励电路频率）较低），（激励电路频率）较低），L及及R可以忽略不计，可以忽略不计，而只考虑而只考虑Rp对传感器的分路作用。对传感器的分路作用。当使用频率增当使用频率增高时，高时，就应考虑就应考虑L及及R的影响，而且主要是的影响，而且主要是L的存的存在使得在使得AB两端的

10、等效电容两端的等效电容Ce随频率增加而增加，随频率增加而增加，由下式可求的由下式可求的Ce：LCCCe21 同时传感器的灵敏度同时传感器的灵敏度ke也将随激励源频率改变也将随激励源频率改变dCkeeLCCCCjLjCjee211116 Ce电容传感器等效电容由于输入被电容传感器等效电容由于输入被测量测量d d的改变而产生的增量的改变而产生的增量22)1 (LCCCe 即有即有22)1 (LCkke 在较高激励频率下使用这种传感器时，每当改在较高激励频率下使用这种传感器时，每当改变激励频率或者更换传输电线时都必须对测量系变激励频率或者更换传输电线时都必须对测量系统重新进行标定。统重新进行标定。1

11、74.4 电容传感器的设计要点电容传感器的设计要点 电容式传感器所具有的高灵敏度、高电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的特点是与其精度等独特的特点是与其正确设计、正确正确设计、正确选材以及精细加工工艺选材以及精细加工工艺分不开。分不开。 在设计传感器的过程中，在所要求的在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力范围内，应尽量使它具量程、温度和压力范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠有低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和好的频率响应等，但一般不易达到理想和好的频率响应等，但一般不易达到理想程度，因此经常采用折中方案。程度，因此经常采用折中方案。184.4.1保证

12、绝缘材料的绝缘性能保证绝缘材料的绝缘性能 减小环境温度、湿度等变化所产生的误减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，以保证绝缘材料的绝缘性能。温度变差，以保证绝缘材料的绝缘性能。温度变化使传感器内个零件的几何尺寸的相互位化使传感器内个零件的几何尺寸的相互位置及某些介质的介电常数发生改变，从而置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变电容传感器的电容量，产生温度误差。改变电容传感器的电容量，产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。必须从选材、结构、加工工艺等方阻值。必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有面来减小温度等误差

13、和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。高的绝缘性能。191、传感器的金属电极的材料选温度系数低的铁镍合金传感器的金属电极的材料选温度系数低的铁镍合金为好（难加工）；或在陶瓷或石英上喷镀合金或银的为好（难加工）；或在陶瓷或石英上喷镀合金或银的工艺（薄工艺（薄)，可减少边缘效应；，可减少边缘效应；2、密封或电极表面镀上极薄的惰性金属层。（防尘、密封或电极表面镀上极薄的惰性金属层。（防尘、防温、防湿、防腐蚀等）；防温、防湿、防腐蚀等）；3、电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能（温度系数小和几何尺寸、稳定性好、并具有高性能（温度系数小和几何尺寸、稳定性

14、好、并具有高的绝缘电阻、低的吸潮和高的表面电阻的材料做支架；的绝缘电阻、低的吸潮和高的表面电阻的材料做支架；4、尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近视为尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近视为零的电介质（也不受到湿度变化的影响）作为传感器零的电介质（也不受到湿度变化的影响）作为传感器的电介质。的电介质。差分对称结构204.4.2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。产生非线性，因此应尽量消除或减小它。 适当减小极间距，使适当减小极间距，使极径与间距比更大极径与间距比更大，

15、可减，可减少边缘效应，但少边缘效应，但易产生击穿并有可能限制测量范易产生击穿并有可能限制测量范围围。也可以采用上述电极放得极薄使与间距相比。也可以采用上述电极放得极薄使与间距相比很小的方法来减少边缘电场的影响。除此之外，很小的方法来减少边缘电场的影响。除此之外，可在结构上增设等位环来消除边缘效应，如图可在结构上增设等位环来消除边缘效应，如图4-5（a）、（）、（b）所示。）所示。等位环等位环3与电极与电极2等电等电位，这样就能使电极位，这样就能使电极2的边缘电子线平直，两电的边缘电子线平直，两电极间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在极间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环等位环3的

16、外周，不影响工作。的外周，不影响工作。21图图4-5 带有等位环的平板电容传感器结构原理图带有等位环的平板电容传感器结构原理图22 4.4.3消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵 敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，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。必须消除和减小它。 23 1、增加原始电容值可减小寄生电容的影响：、增加原始电容值可减小寄生电容的影响： 采用采用减小极片或极筒间的间距，增加工作面积或工减小极片或极筒间的间距，增加工作面积或工作长度作长度来增加原始

17、电容值。但这受到加工及装配工艺、精来增加原始电容值。但这受到加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。度、示值范围、击穿电压、结构等限制。2、注意传感器的接地和屏蔽：、注意传感器的接地和屏蔽： 图图4-6为采用接地屏蔽的圆筒电容传感器。图中为采用接地屏蔽的圆筒电容传感器。图中可动极、筒与连杆固定在一起随被测值位移。可动极、筒与连杆固定在一起随被测值位移。可动极筒与可动极筒与传感器的屏蔽壳同为地，因此当可动极筒移动时，固定极传感器的屏蔽壳同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值保持不变。筒与屏蔽壳之间的电容值保持不变。 电缆引线也必须屏蔽到传感器屏蔽壳内。为了减电缆

18、引线也必须屏蔽到传感器屏蔽壳内。为了减少电缆电容的影响，应尽量使用少电缆电容的影响，应尽量使用短而粗短而粗的电缆线，缩短传的电缆线，缩短传感器至电子线路前置级的距离。感器至电子线路前置级的距离。24图图4-6 接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图接地屏蔽圆筒形电容传感器示意图253、将传感器与电子线路的前置级、将传感器与电子线路的前置级(集成化集成化)装在一个壳体内，装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。省去传感器至前置级的电缆。寄生电容大为减小而且易寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。（固定不变，使仪器工作稳定。（高温、环境差）高温、环境差）4、采用、采用“驱动电缆驱动电缆”技术技

19、术(也称也称“双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输”技技术术)： 图图4-7所示，传感器与电子线路放置级间的引线为双屏所示，传感器与电子线路放置级间的引线为双屏蔽电缆，其内屏蔽层与信号传输导线（即电缆芯线）通蔽电缆，其内屏蔽层与信号传输导线（即电缆芯线）通过过1：1放大器成为等电位，放大器成为等电位，从而消除了芯线与内蔽层之从而消除了芯线与内蔽层之间的电容。间的电容。由于屏蔽层上有随传感器输出信号变化而变由于屏蔽层上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此成为化的电压，因此成为“驱动电路驱动电路”采用这种技术可使电采用这种技术可使电缆线长达缆线长达10m之远也不影响仪器性能。之远也不影响仪器性能。

20、外屏蔽层接大地外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外电场的干扰。或接仪器地，用来防止外电场的干扰。26图图4-7 “驱动电缆驱动电缆”技术电原理图技术电原理图275、采用运算放大器法：采用运算放大器法： 图图4-8所示利用放大器的所示利用放大器的虚地虚地来减小电缆电容来减小电缆电容Cp影响的影响的电原理图。图中，电容传感器的一个电极经电缆芯线接电原理图。图中，电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/（1+K），），K为为开环放大倍数，开环放

21、大倍数，因而减小了电缆电容的影响因而减小了电缆电容的影响。外界干扰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。极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电若采用双屏蔽层电缆，外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。缆，外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。28图图4-8 运算放大器法电原理图运算放大器法电原理图296、整体屏蔽法：、整体屏蔽法： 将电容传感器和所采用的转换电路，传输电缆等用同一屏将电容传感器和所采用的转换电路，传输电缆等用同一屏蔽壳屏蔽起来，蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点来消除寄生电容的影响和防正确

22、选取接地点来消除寄生电容的影响和防止外界的干扰。止外界的干扰。图图4-9（a）为整体屏蔽法的应用。接地点选）为整体屏蔽法的应用。接地点选在电桥两电阻桥臂中间，使电缆电容并在放大器的输入端，在电桥两电阻桥臂中间，使电缆电容并在放大器的输入端，只影响放大器的输入阻抗而不影响仪器的正常工作只影响放大器的输入阻抗而不影响仪器的正常工作，但结构，但结构较为复杂。当采用差分电容传感器、紧耦合变压器供作电源较为复杂。当采用差分电容传感器、紧耦合变压器供作电源并为桥臂，双屏蔽电缆作为引线时（见图并为桥臂，双屏蔽电缆作为引线时（见图4-9（b），电缆），电缆线则可长达线则可长达10m以上仍能工作。图中外屏蔽层接

23、地，内屏蔽以上仍能工作。图中外屏蔽层接地，内屏蔽层接变压器二次侧（副边）、中间抽头，层接变压器二次侧（副边）、中间抽头，使芯线与内屏蔽层使芯线与内屏蔽层间的电容和内外屏蔽层电容相串联后影响传感器，因此大大间的电容和内外屏蔽层电容相串联后影响传感器，因此大大减小了电缆电容的影响。减小了电缆电容的影响。30 图4-9 两个整体屏蔽法例子31 4.4.4 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，静电

24、感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。良导体或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。干扰。 324.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 电容式传感器把被测量转换成电路参数电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，从而使信号，从而使信号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、

25、控制，得到能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作。所需的测量结果或控制某些设备工作。 同时，还根据需要将电路参数同时，还根据需要将电路参数C进一步转换成进一步转换成电压、电电压、电流、频率等电量参数。流、频率等电量参数。 目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型 1、调制型调制型 2、脉冲型脉冲型(或称为电容充放电器或称为电容充放电器)334.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 4.5.1 调制型电路调制型电路 调频电路调频电路 调幅电路调幅电路 1交流激励法交流激励法 2. 交流电桥电

26、路交流电桥电路 34 调频测量电路是把电容式传感器的电容器作为振调频测量电路是把电容式传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，与一个电感元件配合成一荡器谐振回路的一部分，与一个电感元件配合成一个个振荡器谐振电路振荡器谐振电路。当电容传感器工作时，电容量。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡器频率产生相应的变化。再通发生变化，导致振荡器频率产生相应的变化。再通过鉴频电路将频率的变化转换成振幅的变化，经放过鉴频电路将频率的变化转换成振幅的变化，经放大器放大后进行显示，这种方法叫调频法。大器放大后进行显示，这种方法叫调频法。35cCCCC01振荡回路固有电容振荡回路固有电容引线分布电容引线

27、分布电容传感器电容传感器电容调频振荡器的振荡频率由调频振荡器的振荡频率由下式决定：下式决定：调频振荡器的固有频率：调频振荡器的固有频率：传感器工作时，传感器工作时，C变化，相应变化，相应的频率：的频率：振荡器输出是一振荡器输出是一个受被测信号调个受被测信号调制的调制波，其制的调制波，其 由下式决定：由下式决定：L)CCC(fc01021pLCfp21() 21010LCCCCfffcpm36 配有这种电路的系统，在其电路输出端取得的是配有这种电路的系统，在其电路输出端取得的是具有调幅波的电压信号，其幅值近似地正比于被测具有调幅波的电压信号，其幅值近似地正比于被测信号。信号。 1、交流激励法、交

28、流激励法37 次端的等效电路如图次端的等效电路如图4-11（b），其中），其中E2为二次侧为二次侧感应电动势：感应电动势：M耦合电路的互感系数耦合电路的互感系数振荡源的频率振荡源的频率IMjE图中图中L为变压器二次线圈的电感值；为变压器二次线圈的电感值；R为变压器二次线为变压器二次线圈的直流电阻值；圈的直流电阻值；Cx为电容传感器的电容值为电容传感器的电容值38即即21EIdtCRIdtdILx由上式可得由上式可得uc，其幅值的模，其幅值的模Uc为为222EudtduRCdtudLCccxcx222222)1 (xxCRLCEUc39如果传感器初始电容值为如果传感器初始电容值为C0，电感电容回

29、路的初始，电感电容回路的初始谐振频率为谐振频率为则有：则有：RLQLCf0000,12p且取将将0、Q及及K值代入上页式中：值代入上页式中：2022220211 11QQK2EQKuc40 图图4-12中的曲线中的曲线1作为此回路的谐振曲线。若激励源的频作为此回路的谐振曲线。若激励源的频率为率为f，则可确定其工作在，则可确定其工作在A点上。当传感器工作时，引起点上。当传感器工作时，引起电容值改变，从而将使谐振曲线左右移动，电容值改变，从而将使谐振曲线左右移动，工作点也在同工作点也在同一频率一频率f的纵坐标直线上下移动（如的纵坐标直线上下移动（如B、C点），点），可见最终在可见最终在电容传感器的

30、电压降将发生变化。因此，电路输出的电信电容传感器的电压降将发生变化。因此，电路输出的电信号是与激励源同频率，幅值则随被测量的大小而改变的调号是与激励源同频率，幅值则随被测量的大小而改变的调幅波。幅波。图4-12 谐振曲线图41将电容式传感器接入交流电桥的一个臂或两个臂，将电容式传感器接入交流电桥的一个臂或两个臂，另两个臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变另两个臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。如图压器的两个次级线圈。如图4-13所示：所示：图中图中U为电桥为电桥电源电压，电源电压，U0为电桥输出电为电桥输出电压压图中图中Cx是单极式电容传感器的电容，是单极式电容传感器的电

31、容，C0是与它匹配的固是与它匹配的固定电容，其值与传感器初始电容相同。定电容，其值与传感器初始电容相同。Cx1、Cx2为差分为差分式传感器的两个电容。式传感器的两个电容。U是电桥电源电压，是电桥电源电压，U0是电桥输是电桥输出电压，出电压，E为变压器二次侧感应电动势。测量前为变压器二次侧感应电动势。测量前Cx1=Cx2或或Cx=C0，电桥平衡、输出电压，电桥平衡、输出电压U0=0。测量时被测量变。测量时被测量变化使电容值随之改变电桥失衡，其不平衡输出电压幅值化使电容值随之改变电桥失衡，其不平衡输出电压幅值与被测量变化有关因此通过电桥电路将电容值变化转换与被测量变化有关因此通过电桥电路将电容值变

32、化转换成电量变化。成电量变化。42图4-13 电容式传感器构成交流电桥的一些形式43从电桥灵敏度考虑，图从电桥灵敏度考虑，图4-13（a）-（f），以（），以（f）形式为）形式为最高，（最高，（d）次之。在设计和选择电桥形式时：）次之。在设计和选择电桥形式时：1、灵敏度考虑灵敏度考虑2、输出电压是否稳定、输出电压是否稳定3、输出电压与电源电压间的相移大小、输出电压与电源电压间的相移大小4、电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易实现、电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易实现5、实际电桥电路中附加零点平衡调节，灵敏度调节等环、实际电桥电路中附加零点平衡调节，灵敏度调节等环节。节。图中图中U为

33、电桥为电桥电源电压，电源电压，U0为电桥输出电为电桥输出电压压44图图4-13（g）形式的电桥（紧耦合电臂电桥）具有）形式的电桥（紧耦合电臂电桥）具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，非常适合于高频大大简化了电桥的屏蔽和接地，非常适合于高频工作。工作。图中图中U为电桥为电桥电源电压，电源电压，U0为电桥输出电为电桥输出电压压图图4-13（h）形式电桥）形式电桥（变压器式电桥），使用元件少，（变压器式电桥），使用元件少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。桥路内阻最小，因此目前较多采用。该电桥两臂是电源该电桥两臂是电源变压

34、器二次线圈。设感应电动势为变压器二次线圈。设感应电动势为E，另一两臂为传感，另一两臂为传感器的两个电容，如果电桥所接的放大器的输入阻抗即器的两个电容，如果电桥所接的放大器的输入阻抗即本电桥的负载阻抗本电桥的负载阻抗RL，则电桥输出为：，则电桥输出为：221210)(1)(REjCCRjCCUxxLxx45图中图中U为电桥为电桥电源电压，电源电压，U0为电桥输出电为电桥输出电压压RL时时：ECCCCUxxxx21210)(由上式可见，差分式电容传感器接入变压器式电由上式可见，差分式电容传感器接入变压器式电桥中，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的桥中，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传

35、感器，电容式传感器，电桥的输出电压与输入量均成线电桥的输出电压与输入量均成线性关系性关系。因此要求因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；传感器必须工作在平衡位置附近，否频等措施；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性将增大；接有电容传感器的交流电则电桥非线性将增大；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。后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。464.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路4.5.2 脉冲型电路脉冲型电路 脉冲

36、型转换电路的基本原理是利用电容的充放电。两种脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电。两种性能较好，较常用的电路为性能较好，较常用的电路为 双双T型充放电网络型充放电网络 脉冲调宽型电路脉冲调宽型电路47图中图中U为电桥为电桥电源电压，电源电压，U0为电桥输出电为电桥输出电压压图图4-14为双为双T型充放电网络原理图。图中型充放电网络原理图。图中u为一对称方波为一对称方波的高频电源，的高频电源，C1和和C2为差分电容式传感器的电容。对于为差分电容式传感器的电容。对于单极式电容传感器可以其中之一为固定电容，另一个为单极式电容传感器可以其中之一为固定电容，另一个为传感器电容。传感器电容。RL为负

37、载电阻，为负载电阻，VD1、VD2为两个理想二极为两个理想二极管（导通管（导通R=0，截至，截至R=），R1、R2为固定电阻。为固定电阻。48图4-14 双T型充放电网络4950图4-15 双T型充放电网络等效电路51在负半周时，二极管在负半周时，二极管V VDD2 2导通、导通、V VDD1 1截止，电容截止，电容C C2 2很快被充电至电压很快被充电至电压U U；电源经电阻；电源经电阻R R2 2以以i i1 1 向负载电向负载电阻阻R RL L供电，与此同时，电容供电，与此同时，电容C C1 1经电阻经电阻R R1 1、负载电、负载电阻阻R RL L 放电，流过放电，流过R RL L 的

38、放电电流为的放电电流为i i2 2 。流过。流过R RL L的总的总电流电流i iL L 为为i i1 1 和和i i2 2 的代数和，的代数和，。 52因为因为VD1和和VD2的特性相同，且的特性相同，且R1R2;当当C1=C2时时,流过流过RL的电流的电流IL和和IL的平均值大小相等，方向相的平均值大小相等，方向相反，在一周内流过反，在一周内流过RL的平均电流为零，的平均电流为零，RL上没有上没有电压输出电压输出。当。当C1或或C2变化时，在变化时，在RL上产生的平均上产生的平均电流不再为零，电流不再为零，因而有信号输出因而有信号输出。此时的输出电压：此时的输出电压：)()()2(212CCfURRRRRRULLLo53当当R1=R2=R，RL已