電容式傳感器的應用

　　電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態(tài)響應特性好等優(yōu)點，廣泛用于壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。但在使用中要注意以下幾個方面對測量結(jié)果的影響：①減小環(huán)境溫度、濕度變化（可能引起某些介質(zhì)的介電常數(shù)或極板的幾何尺寸、相對位置發(fā)生變化）；②減小邊緣效應；③減少寄生電容；④使用屏蔽電極并接地（對敏感電極的電場起保護作用，與外電場隔離）；⑤注意漏電阻、激勵頻率和極板支架材料的絕緣性。

　　電容式傳感器應用中的注意事項

　　（1）克服寄生電容的影響

　　電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其電容量都很小（pF到幾十pF），屬于小功率、高阻抗器件，因此極易外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯(lián)，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關(guān)鍵。

　　（2）克服邊緣效應的影響

　　實際上當極板厚度h與極距δ之比相對較大時，邊緣效

　　應的影響就不能忽略；邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。

　　（3）克服靜電引力的影響

　　電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。

　　（4）溫度影響

　　環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫度干擾誤差。溫度影響主要包括溫度對結(jié)構(gòu)尺寸和對介質(zhì)的影響兩方面。

　　電容式傳感器的測量轉(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。

　　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。