電容式傳感器的分類、優(yōu)缺點和電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉(zhuǎn)換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。

70年代末以來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?/p>

典型的電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當薄膜受壓力作用時，薄膜會發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關系是非線性關系，因此，要用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。

電容式傳感器的分類及其優(yōu)缺點

電容式傳感器的分類

根據(jù)傳感器的工作原理可把電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。

根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)可把電容式傳感器分為三種類型的結(jié)構(gòu)形式。它們又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種，每一種又依據(jù)傳感器極板形狀分成平(圓形)板形和圓柱(圓筒)形，雖然還有球面形和鋸齒形等其他形狀，但一般很少用。其中差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式傳感器，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點。

電容式傳感器的優(yōu)缺點

1、優(yōu)點

(1)溫度穩(wěn)定性好

電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，這有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。而電阻傳感器有銅損，易發(fā)熱產(chǎn)生零漂。

(2)結(jié)構(gòu)簡單

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現(xiàn)某些特殊的測量;能工作在高溫，強輻射及強磁場等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等;能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。

(3)動態(tài)響應好

電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小(約幾個10^(-5)N)，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。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。它可用于測量高速變化的參數(shù)。

(4)可以非接觸測量且靈敏度高

可非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。

電容式傳感器除了上述的優(yōu)點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力高，能感應0.01μm甚至更小的位移。由于其空氣等介質(zhì)損耗小，采用差動結(jié)構(gòu)并接成電橋式時產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。

1、缺點

(1)輸出阻抗高，負載能力差。

無論何種類型的電容式傳感器，受電極板幾何尺寸的限制，其電容量都很小，一般為幾十到幾百皮法(pF)，因此使電容式傳感器的輸出阻抗很高，可達 ～ Ω。由于輸出阻抗很高，因而輸出功率小，負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作。

(2)寄生電容影響大。

電容式傳感器的初始電容量很小，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容、電子線路的雜散電容以及電容極板與周圍導體構(gòu)成的電容等寄生電容卻較大。寄生電容的存在不但降低了測量靈敏度，而且引起非線性輸出。由于寄生電容是隨機變化的.因而使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài).影響測量準確度。

電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

電容式傳感器把被測物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后 ，將電容量轉(zhuǎn)換成電量的電路稱作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路。目前較常采用的有電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大器式電路等，這里只介紹電橋電路和運算放大器電路。

一、 電橋電路

將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個或兩個相鄰臂，另外兩臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個次級線圈，如圖1所示。

在圖1a單臂接法電橋電路中，電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的四臂，CX為電容傳感器，當Cx改變時，U0≠0，有輸出電壓。

在圖1 b差動接法電橋電路中，其輸出電壓可用下式表示：

由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。因此，在實際應用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高(一般達幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。

由電橋電路組成的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

二、調(diào)頻電路

將電容傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，作為回路的一部分。當被測量變化使傳感器電容改變時，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制。其電路組成原理框圖如圖3所示。

調(diào)頻振蕩器的頻率 ：

特點：

轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號，可遠距離傳輸不受干擾。

具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。

但非線性較差，可通過鑒頻器(頻壓轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)化為電壓信號后，進行補償。

三、運算放大器式電路

將電容傳感器接入開環(huán)放大倍數(shù)為A的運算放大電路中，作為電路的反饋組件，如圖4所示。圖中U是交流電源電壓，C是固定電容，Cx是傳感器電容，Uo是輸出信號電壓。

由理想放大器的工作原理得：