电容传感器的测量电路精编版

调频振荡器的振荡频率由下式决定
f 1
2 LC
式中，L为振荡回路电感；C为振荡回路总电容。
振荡回路的总电容一般包括传感器C0±△C， 谐振回路中的固定电容C1和传感器电缆分布电 容C2。以变间隙式电容器为例，如果没有被测 信号，则△d≠0，则△C≠0，这时C=C1+C0+C2，
所以振荡器的频率为
ln
U1 U1 Ur
T2

R2C2
ln
U1Байду номын сангаасU1 Ur
设R1＝R2＝R，则
U0

C1 C1
C2 C2
U1
因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。
设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2 和A1、A2，将平行板电容公式代入上式，对差动 式变极距型和变面积型电容式传感器可得
U0

d2 d1

d1 d2
U
1；U
0

A1 A2

A2 A1
U1
可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容 式传感器，并具有理论上的线性特性。这是十分 可贵的性质。在此指出：具有这个特性的电容测 量电路还有差动变压器式电容电桥和由二极管T 形电路经改进得到的二极管环形检波电路等。
另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其 电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要 求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无 线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流 电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。
五、电桥电路
将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另 一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另外桥臂可 以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个 二次线圈。其中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、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频 电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少，桥 路内阻最小，因此目前较多采用。
电容式传感器的测量电路
一、 调频电路
这种测量电路是把电容式传感器与一个电感元 件配合成一个振荡器谐振电路。当电容传感器工作 时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变 化。再通过监频电路将频率的变化转换为振幅的变 化，经放大器放大后即可显示，这种方法称为调频 法。图3.10就是调频-鉴频电路原理图。
特点：①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波
动极小，需采用稳幅、稳频等措施； ③通常处于不平衡工作状态，所以传感
器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性 增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡 电桥；
④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输 出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数 的处理电路。
f0 2
1 L(C1 C0 C2 )
f0 一 般 应 选 在 此 MHz 以 上 。 当 传 感 工 作 时 ， △d≠0，则△C≠0，振荡频率也相应改变△f，
则有
1
f0 f 2 L(C1 C0 C2 C)
二、运算放大器式测量电路
Cx
电容式传感器跨接在
Ci
高增益运算放大器的输入
A1
D1
双稳 Q A 态触
F R1 C1
uAB
发器 Q B R2 C2 G
A2 D2
差动脉冲调宽电路
uA
uA
U1
U1
0
0
t
t
uB
uB
U1
U1
0 uAB
U1
0 -U1
0
t uAB
t
U1
U0
0
t -U1
t
UF T1 Ur
0
UG Ur
T2
UF T1 Ur
0
t UG Ur
T2
t
0 (a)
0
t
(b)
t
差动脉冲调宽电路各点电压波形图
-
端与输出端之间。运算放 ui
大器的输入阻抗很高，因
+
u0
此可认为它是一个理想运
算放大器，其输出电压为
U0

Ui
Ci Cx
以
Cx

0A
d
代入上式，则有
运算放大器式测量电路
U0

Ui
Ci
0A
d
可以看出，输出电压与动极片机械位移d成线性关系。
三、二极管双T形电路
供电电压是幅值为±Ui、周期为T、占空比为 50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正
③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容 式传感器高内阻的缺点；
④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容 式传感器。
四、差动脉冲调宽电路
又称脉冲宽度调制电路，利用对传感器电容
的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量
变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变
化的直流信号。
图中C1、C2为差动式 传感器的两个电容， 若用单组式，则其中 一个为固定电容，其 Ur 电容值与传感器电容 初始值相等；A1、A2 是两个比较器，Ur为其 参考电压。
载的平均电流为零。如果C1≠C2, 输出电压的 平均值为
U0

RRL R
(R
2RL RL )2

U
i
f
C1
C2
其f中为电源频率。输出电压不仅与电源的频 率和幅值有关，而且与电容的差值有关。
电路特点：
①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了 电容引线、减小了分布电容的影响；
②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们 高度稳定；
电容C1 通过R1、RL放电。电路等效为图(b)。
±Ui
D2
D1 iC1 + C1
R2 R1
iC2 RL
+ C2
＋
Ｕｏ －
(a)
R1 R2
C1+ i’C1 RL
i’C2 C2 +
UE
(b)
如果二极管具有相同的特性，且令C1=C2， R1=R2=R，则正半周和负半周流过负载的电流 大小相等，方向相反，即一个周期内流过负
UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为
U0
UA
UB

T1 T1 T2
U1
T2 T1 T2
U1

T1 T1
T2 T2
U1
UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。 Ur—触发器的参考电压。
T1

R1C1
半周时，电路等效为典型的一阶电路，如图(b)。 其中二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极其短
的时间充电，电容C2通过R2、RL放电。
±Ui
D2
D1 iC1 + C1
R2 R1
iC2 RL
+ C2
＋
Ｕｏ －
R1
R2
UE
+C1 iC1
RL
C2
iC2 +
(a)
(b)
当电源为负半周时，其中二极管D2导通、 D1 截止，电容C2 被以极其短的时间充电，