同济大学苏永清_传感器与检测技术第3章电容式传感器-B测量电路解读

第一部分引言本设计是应用于电容传感器微小电容的测量电路。

传感器是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

传感器在发展经济、推动社会进步方面有着重要作用。

电容式传感器是将被测量转换成电容量变化的一种装置，可分为三种类型：变极距（间隙）型、变面积型和变介电常数型。

二、电容式传感器的性能和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、可非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中[1]。

电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大等。

上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。

但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。

电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器[2]。

第二部分正文一、电容式传感器测量电路由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率[3],[4]。

电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。

电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。

由于电容传感器的电容变化量往往很小，电缆杂散电容的影响非常明显，系统中总的杂散电容远大于系统的电容变化值[5]。

与被测物理量无关的几何尺寸变化和温度、湿度等环境噪声引起的传感器电容平均值和寄生电容也不可避免的变化，使电容式传感器调理电路设计相当复杂[6]。

分立元件过多也将影响电容的测量精度[3]。

微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。

测量仪器应该有飞法（fF）数量级的分辨率[6]。

二、常用电容式传感器测量电路1、调频电路这种电路的优点在于：频率输出易得到数字量输出，不需A/D转换；灵敏度较高；输出信号大，可获得伏特级的直流信号，便于实现计算机连接；抗干扰能力强，可实现远距离测量[7]。

第三章电容式传感器§3.1 电容式传感器工作原理和结构 §3.2 电容式传感器等效电路§3.3 电容式传感器测量电路§3.4 电容式传感器应用2§3.1 电容式传感器工作原理和结构一、基本工作原理电容式传感器的三种类型:变极距型、变面积型和变介电常数型。

(l 4考虑了电容器的损耗和电感效应, 电容式传感器的等效电路。

一、电容式传感器等效电路§3.2 电容式传感器等效电路根据等效电路,电容式传感器有一个谐振频率,通常为几十兆赫。

当工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏传感器正常作用。

因此,工作频率应该选择低于谐振频率。

并联损耗电阻 R p :表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。

并联损耗低频时影响大,随着工作频率增高,容抗减小,影响就减弱。

串联损耗电阻 R s :引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。

电感 L :电容器的电感和外部引线电感。

17二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对称方波, V D1、 V D2为特性完全相同的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。

三、二极管双T形交流电桥§3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。

在前负半周时,电容 C 2已经充电至电压 U 。

1、电路基本结构2、基本工作原理22二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对称方波, V D1、 V D2为特性完全相同的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。

三、二极管双T形交流电桥§3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。