3-2压电传感器的测量电路

器的非线性问题。
上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大
的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定
的非线性。
传感器原理与应用——第三章
3. 二极管双T形电路
R1 R2 RL i2 (a) C2 +
D2
R2 R1
UE
+ C1
i1
±UE
D1 i C1
+
i C2
C1
+
+ RL Ｕ0 C2
图3-14 二极管双T形电路
RRL T 时,电流i 的平均值I 可写成 在 2 2 R C2 R RL 2
1 1 1 R 2RL I 2 i dt i2 dt U E C2 T T 0 T R RL
T 2 2 0
传感器原理与应用——第三章
电容C1上的平均电流为: 故在负载RL上产生的电压为：
T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。 C1、C2的充电时间T1、T2为：
U1 T1 R1C1 ln U1 U r U1 T2 R2C 2 ln U1 U r （3 26 ）
传感器原理与应用——第三章
A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A
因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温
度等误差。
传感器原理与应用——第三章
电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低 的铁镍合金为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石 英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对
减小边缘效应极为有利。
传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封；用
以防尘、防潮。可在电极表面镀以极薄的惰性金 属
若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止 ，电容C1被以极短的时间充电至UE ，电容C2的电压初始值 为 UE ，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电， 流过RL 的放电电流为i2，流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数
和。
传感器原理与应用——第三章 D2
R2
R1 +
2. 运算放大器电路
Cx C0 U Ii Ix I
Cx为传感器，C0为固定电
容。当运算放大器输入阻抗
很高、增益很大时，可认为
-A
USC
运算放大器输入电流为零，
根据克希霍夫定律，有：
I i U i j C 0 I x U 0 j C x Ii I x
特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高
频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速
变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。
传感器原理与应用——第三章
4．可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容 传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电
容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度
度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、
高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。
传感器原理与应用——第三章
1．绝缘材料的绝缘性能 温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置 及某些介质的介电常数发生改变 , 从而改变传感器的 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阻值。
电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一
般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其
当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达
106～108Ω。因此传感器负载能力差，易受外界干扰
影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须
采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。
传感器原理与应用——第三章
低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以
做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。
传感器原理与应用——第三章
3．动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约 10-5N ），需要的作用能量极小，又由于它的可动部 分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率
很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，
1 R 2 RL I C1 U E C1 T R RL
RRL RRL R 2RL U E I1 I 2 C1 C2 U0 2 R RL ( R RL ) T
当RL已知时，
U0 K f U E C1 C2
RRL R 2RL 为常数，设为K，则 2 ( R RL )
Cx
L
振荡器 Δu Δf
限幅 Δf 放大器
鉴频器
Δu
图3-18 调频式测量电路原理框图
传感器原理与应用——第三章
3.3 电容式传感器的特点及设计
与应用中存在的问题 3.3.1 电容传感器的特点 1．电容式传感器的优点
（1）温度稳定性好
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，且空气等介质损耗很小，只要从强度、
(2)寄生电容影响大
传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容 (l～
2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感
器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较
大。
传感器原理与应用——第三章
(3)输出特性非线性
变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽
可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类
振荡器
Cr1
放大 相敏 检波 滤波器
USC
稳幅、稳频等措施，
图3-12 电桥测量电路
在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感器必须工 作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大； 所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。
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，
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0 uB U1 t t
U1
0 uAB
0 uAB U1
t
U1 0
-U1 t
0 -U1 UF T1
t
UF Ur 0 UG Ur
0
T1
t
Ur 0
t
T2
t
UG
Ur 0
T2
t
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根据电路知识可知：
T1 T2 UA U 1 ，U B U1 T1 T2 T1 T2 UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；
（ c）
L
L
U
传感器原理与应用——第三章
另两个臂是紧耦合电感臂的 电桥具有较高的灵敏度和稳 定性，且寄生电容影响极小、 U
Cr1
大大简化了电桥的屏蔽和接
地，适合于高频电源下工作。
（d）
Cr2
U0Leabharlann 变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前 较多采用。
传感器原理与应用——第三章 由于电桥输出电压 与电源电压成比例， 因此要求电源电压 波动极小，需采用 Cr2
R1 i1
R2 RL i2 (b)
±UE
D1 i C1
C1
C2
+
+
i C2
+
RL Ｕ0 C2
+
C1
UE
在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至
电压UE；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时， 电容C1经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。 流过RL的总电流iL为i1 和i2的代数和。
型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出
特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将 与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。
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3.3.2 设计与应用中存在的问题 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的 优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不
开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温
图3-13 运算放大器测量电路
C0 U 0 U i （ 3 20 ） Cx
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若传感器是一平行板电容，则：
代入（3-20）式得：
C0 U 0 U i S
可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离δ成 正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感
、B两点电压平均值UA与UB之差
U0 U A U B T1 T T T U 1 2 U1 1 2 U 1 T1 T2 T1 T2 T1 T2 （3 27）
设R1＝R2＝R，则
C1 C2 U0 U1 C1 C2
容差值成正比。
（3 28 ）
说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电
容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几
十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传
感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围 环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。
高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传
输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工
作稳定。
传感器原理与应用——第三章
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3.2 电容式传感器的测量电路 3.2.1 电容传感器的等效电路
R
RP （ a） C
L C
（ b）
图3-9 电容传感器等效电路
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3.2.2 测量电路 1. 电桥电路
Cr1
Cr2 U0 （b）
C Cr1 C U0 U
C
R U
（ a）
R
Cr1
Cr2 U0
传感器原理与应用——第三章
对于差动式变极距型电容传感器：
d U0 U1 d0
对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始