電容式傳感器的應用

電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、分辨率高、動態響應特性好等優點，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果的影響：①減小環境溫度、濕度變化（可能引起某些介質的介電常數或極板的幾何尺寸、相對位置發生變化）；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構與尺寸的限制，其電容量都很?。?span>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，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、極間距離有關。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關系，從而引入溫度干擾誤差。溫度影響主要包括溫度對結構尺寸和對介質的影響兩方面。

電容式傳感器的測量轉換電路

目前較常采用的有電橋電路、調頻電路、脈沖調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，需要采用穩幅、穩頻等措施。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原理框圖如圖2所示。

二、調頻電路

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制。其電路組成原理框圖如圖3所示。

特點：

轉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（頻壓轉換）轉化為電壓信號后，進行補償。

三、運算放大器式電路

將電容傳感器接入開環放大倍數為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。

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