第5章 电容式2测量电路

1、再见 5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 5.4.1 调频电路调频电路 5.4.2 运算放大器式电路运算放大器式电路 5.4.3 二极管双二极管双 T 形交流电桥形交流电桥 5.4.4 环形二极管充放电法环形二极管充放电法 5.4.5 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 5.4.1 调频电路调频电路 调频式测量电路原理框图 鉴 频 器限 幅 放 大 器振 荡 器CxLCx电 容 变 换 器fufu 调频测量电路把电容式传感器作为调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导致电容量发

2、生变化时，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。振荡器的振荡频率就发生变化。 可以直接使用可以直接使用频率计频率计测量振荡器的测量振荡器的输出频率，从而判断被测非电量的大小。输出频率，从而判断被测非电量的大小。 但此时但此时系统是非线性系统是非线性的，的，不易校正。不易校正。 加入加入鉴频器鉴频器，将频率的变化转换为，将频率的变化转换为电压振幅电压振幅的变化，经过放大就可以用仪的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。器指示或记录仪记录下来。 调频式测量电路原理框图 鉴 频 器限 幅 放 大 器振 荡 器CxLCx电 容 变 换 器fufu12fLC L振荡回路的电

3、感；振荡回路的电感； C振荡回路的总电容，振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx C1为振荡回路的固有电容为振荡回路的固有电容, C2为传感器引线的分布电容为传感器引线的分布电容, Cx=C0C为传感器的电容。为传感器的电容。 当被测信号为当被测信号为 0 时，时，C=0，则则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固，所以振荡器有一个固有频率有频率f0 , 012012()fCCCL 当被测信号不为当被测信号不为0时，时，C0， 振振荡器频率有相应变化，此时频率为荡器频率有相应变化，此时频率为 012012()fffCCCC L 调频电容传感器测量电路的优点：调频电容传感器测量电路的优点： 具

4、有较高的灵敏度，具有较高的灵敏度， 可以测量可以测量0.01m的位移变化量。的位移变化量。 信号的输出频率易于用数字仪器测信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，量，并与计算机通讯， 抗干扰能力强，可以发送、抗干扰能力强，可以发送、 接收，接收， 以达到遥测遥控的目的。以达到遥测遥控的目的。 5.4.2 运算放大器式电路运算放大器式电路 运算放大器的放大倍数非常大，运算放大器的放大倍数非常大， 输入阻抗输入阻抗 Zi 很高。很高。 电容式传感器使用运算放大器，可电容式传感器使用运算放大器，可以设计出比较理想的测量电路。以设计出比较理想的测量电路。 cbICiUiIcxICxoUA 运

5、算放大器式电路原理图 Cx 为电容式传感器电容；为电容式传感器电容； Ui 是交流电源电压是交流电源电压; Uo 是输出信号电压是输出信号电压; 是虚地点。是虚地点。 cbICiUiIcxICxoUA 运算放大器式电路原理图 由运算放大器工作原理可得由运算放大器工作原理可得 o-=-ixC UCU（0） （0）oixCUUC cbICiUiIcxICxoUA 运算放大器式电路原理图 “”号表示输出电压号表示输出电压Uo 的相位与电的相位与电源电压源电压反相反相。 如果传感器是一个平板电容，则如果传感器是一个平板电容，则oiCUUdA oiCUUdA 运算放大器的输出电压与极板间距运算放大器的输

6、出电压与极板间距离离 d 成成线性线性关系。关系。 运算放大器式电路的主要优点：运算放大器式电路的主要优点： 解决了单个变极板间距离式电容传解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。感器的非线性问题。 实现这一功能的前提：实现这一功能的前提： Zi 足够大。足够大。 放大倍数足够大。放大倍数足够大。 仪器精度的保证：仪器精度的保证： 电源电压电源电压 Ui 的幅值稳定；的幅值稳定； 固定电容固定电容 C 值稳定。值稳定。 oiCUUdA 5.4.3 二极管双二极管双 T 形交流电桥形交流电桥 图5-13 二极管双T形交流电桥 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(

7、a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I e：高频电源：高频电源对称方波对称方波VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管。为特性完全相同的两只二极管。 固定电阻固定电阻R1=R2=R C1、C2为传感器的两个差动电容。为传感器的两个差动电容。 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 当传感器没有输入时，当传感器没有输入时，C1=C2。 当当e为为正半周正半周时，二极管时，二极管VD1导通

8、、导通、VD2截止，于是电容截止，于是电容C1充电，其等效电充电，其等效电路如图路如图5-13（b）所示；）所示； VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 二极管双T形交流电桥 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 负半周负半周时，时，C1上的电荷通过上的电荷通过R1，RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I1。 当当e为负半周时，为负半周时，VD2导通、导通、VD1截截止，则电容止，则电容C2充电。充电。 VD2VD1eC1C2A

9、BR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 二极管双T形交流电桥 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 在随后出现正半周时，在随后出现正半周时，C2通过电阻通过电阻R2，负载电阻负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I2 。 根据上面所给的条件，则电流根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过且方向相反，在一个周期内流过RL的平的平均电流为零。均电流为零。 若传感器输入不为若传感器输入不为0，则，则C1C2, I1I2, 此时在

10、一个周期内通过此时在一个周期内通过RL上的平上的平均电流不为零，均电流不为零， 因此产生输出电压。因此产生输出电压。 输出电压在一个周期内的平均值：输出电压在一个周期内的平均值： 1201221( )( )(2)()()ToLLLLLLUI RI tIt dtRTR RRRUfCCRR 122(2)()()LoLLR RRUR Uf CCRR f 为电源频率。为电源频率。 当当RL已知，已知， 2(2)()()LLLR RRRMRR常数 输出电压输出电压Uo不仅与电源电压幅值和不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与频率有关，而且与T形网络中的电容形网络中的电容C1和和C2的差值有关。的差值有关。

11、 当电源电压确定后，输出电压当电源电压确定后，输出电压Uo是是电容电容C1和和C2的函数。的函数。12()oUUfMCC 二极管双二极管双 T 形交流电桥的特点：形交流电桥的特点： 输出电压较高。输出电压较高。 f1.3MHz，电源电压，电源电压U=46V，电，电容在容在77 pF 变化，可以在变化，可以在1M负载上负载上得到得到5 5V的直流输出电压。的直流输出电压。 电路的灵敏度：电路的灵敏度： 电路的灵敏度与电源电压幅值和频电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。率有关，故输入电源要求稳定。 测量电路的非线性误差：测量电路的非线性误差： 适当提高适当提高 U 幅值，使二

12、极管幅值，使二极管VD1、VD2工作在工作在线性区域线性区域，可以减小测量的非，可以减小测量的非线性误差。线性误差。 测量电路的输出阻抗：测量电路的输出阻抗： 电路的输出阻抗与电容电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，无关， 仅与仅与R1、 R2 及及 RL 有关，有关， 约为约为1100k。 输出信号的上升沿时间：输出信号的上升沿时间： 上升沿时间取决于负载电阻。上升沿时间取决于负载电阻。 对于对于1 k的负载电阻，上升时间为的负载电阻，上升时间为20s左右，左右， 可用来测量高速的机械运动。可用来测量高速的机械运动。5.4.4 环形二极管环形二极管充放电充放电法法环形二极管电容测量电路原理图

13、AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 输入方波加在电桥的输入方波加在电桥的A点和地之间。点和地之间。环形二极管电容测量电路原理图AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 在设计时，由于在设计时，由于方波脉冲宽度方波脉冲宽度足以足以使电容器使电容器Cx和和Cd充、放电过程在方波平充、放电过程在方波平顶部分结束。顶部分结束。 工作原理：工作原理： 高频方波信号源，通过一环形二极高频方波信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电，管电桥，对被测电容进行充放电， 环形二极管电桥输出一个与被测电环形二极管电桥输出一个与被

14、测电容成正比的容成正比的微安级微安级电流。电流。 电桥将发生如下的过程电桥将发生如下的过程: 当输入的方波由当输入的方波由E1跃变到跃变到E2时，时，电容电容Cx和和Cd两端的电压皆由两端的电压皆由E1充电到充电到E2。 环形二极管电容测量电路原理图AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 对电容对电容Cx充电的电流为充电的电流为 i1 所示的方所示的方向，对向，对 Cd 充电的电流为充电的电流为 i3 所示方向。所示方向。 在充电过程中在充电过程中(T1这段时间这段时间)，VD2、 VD4一直处于截止状态。一直处于截止状态。 在在T1这段时间内由这段时间内

15、由A点向点向C点流动的点流动的电荷量为电荷量为 q1=Cd(E2E1)。环形二极管电容测量电路原理图AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 当输入的方波由当输入的方波由E2返回到返回到E1时，时，Cx、Cd放电，它们两端的电压由放电，它们两端的电压由E2下下降到降到E1。 放电电流所经过的路径分别为放电电流所经过的路径分别为i2、 i4所示的方向。所示的方向。环形二极管电容测量电路原理图AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 在放电过程中在放电过程中(T2时间内时间内)，VD1、VD3 截止。截止。 在在T2这段时间内

16、由这段时间内由C点向点向A点流过的点流过的电荷量为电荷量为 q2=Cx(E2E1)。 设方波的频率设方波的频率f=1/T0(即每秒钟发生即每秒钟发生的充放电过程的次数的充放电过程的次数)， 则由则由C点流向点流向A点的平均电流为点的平均电流为I2=Cx f (E2-E1), 而从而从A点流向点流向C点的平均点的平均电流为电流为I3=Cd f (E2-E1), 流过此支路的瞬时电流的平均值为流过此支路的瞬时电流的平均值为 2121()()()xdxdIC f EEC f EEf E CC ()xdIfE CC E为方波的幅值，为方波的幅值，E=E2E1。 令令Cx的初始值为的初始值为C0，Cx为

17、为Cx的增的增量，则量，则Cx=C0+Cx, 调节调节Cd=C0 则则 ()xdxIfE CCfEC xIfECI 正比于正比于Cx 。 5.4.5 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路图 双 稳 态触 发 器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ#A1A2Ur 脉冲宽度调制电路电压波形 当两个差动电容器不相等时，由于当两个差动电容器不相等时，由于充放电时间常数变化，此时充放电时间常数变化，此时uA、uB脉冲脉冲宽度不再相等，一个周期宽度不再相等，一个周期(T1+T2)时间内时间内的平均电压值不为零。的平均电压值不为零。 此此 uAB 电压经低通滤波器滤波后，电压经低

18、通滤波器滤波后，可获得可获得 Uo 输出。输出。 U1触发器输出触发器输出高电平高电平； T1、T2Cx1、Cx2充电至充电至Ur时所需时间。时所需时间。 Ur是并比较器的参考电压。是并比较器的参考电压。 12112oABTTUUUUTT 脉冲宽度调制电路电压波形 uAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b) 111112222111xrxrUTR CnUUUTR CnUU 12112xxoxxCCUUCC 在变极板距离的情况下在变极板距离的情况下 21112oddUUdd d1

19、、d2分别为分别为Cx1、Cx2极板间距离。极板间距离。 当差动电容当差动电容Cx1=Cx2=C0， 即即d1=d2=d0，Uo=0； 若若Cx1Cx2， 设设Cx1 Cx2 ，即，即d1=d0d, d2=d0+d, 则有则有10odUUd 同样，在变面积电容传感器中，同样，在变面积电容传感器中， 1oAUUA 差动脉宽调制电路的适用范围：差动脉宽调制电路的适用范围： 适用于变极板距离以及变面积差动适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器。式电容传感器。 10odUUd1oAUUA 差动脉宽调制电路的优点：差动脉宽调制电路的优点： 线性输出，线性输出， 转换效率高，转换效率高， 经过低通放大

20、器就有较大的直流输出，经过低通放大器就有较大的直流输出， 调宽频率的变化对输出没有影响。调宽频率的变化对输出没有影响。 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 5.5.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 5.5.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 5.5.3 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 5.5.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 差动式电容压力传感器结构图 外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器 膜片为膜片为动电极动电极，两个在，两个在凹形玻璃上凹形玻璃上的金属镀层的金属镀层为固定电极，构成差动电容为固定电极，构成差动电容器。器。 当被测压力或压力差作用于膜片并当

21、被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，容量，一个增大， 一个减小。一个减小。 该电容值的变化经测量电路转换该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。压的变化。 5.5.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 差动式电容加速度传感器结构图 621C1C25d1d2431固 定 电 极 ；2绝 缘 垫 ；3质 量 块 ；4弹 簧 ；5输 出 端 ；6壳 体 当传感器壳体随被测对象沿垂直方当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空向作直线加速运

22、动时，质量块在惯性空间中相对静止，间中相对静止， 两个固定电极将相对于质量块在垂两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位直方向产生大小正比于被测加速度的位移。移。 此位移使两电容的间隙发生变化，此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，一个增加，一个减小， 从而使从而使C1、C2产生大小相等、符号产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点：电容式加速度传感器的主要特点： 频率响应快和量程范围大，大多采频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。用空气或其它气体作阻尼物质。 5.5.3 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 检测金属带材的厚度。检测金属带材的厚度。 差动式电容测厚仪系统组成框图 音 频 信 号 发 生 器音 频 放 大 器全 波 整 流 器差 动 放 大 器C0C1C2RRCT 在被测带材的上下两侧各置放一块在被测带材的上下两侧各置放一块面