电容式传感器测量电路设计

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：电容式传感器中，电容值及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。其中，C1为振荡回路固有电容；C2为传感器引线分布电容；C0±ΔC为传感器的电容。调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以测量0.01 μm级位移变化量。

电容式传感器中，电容值及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。这就必须借助测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。常用的测量电路有桥式电路、调频电路等。

1.桥式电路

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，需采用稳幅、稳频等措施，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。接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。

如图2-21所示为桥式测量电路，图2-21（a）为单臂接法，Cx为电容传感器，高频电源经变压器接到电容桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，当电桥平衡时有 pagenumber_ebook=35,pagenumber_book=29 此时Uo=0；当电容式传感器Cx变化时，Uo≠0，由此可测得电容的变化值。

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图2-21　桥式测量电路

在图2-21（b）中，接有差动电容传感器，其空载输出电压可用下式表示：

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式中　C0——传感器的初始电容值；

ΔC——传感器电容的变化值。

可见差动接法的交流电桥其输出电压Uo与被测电容的变化量ΔC之间呈线性关系。该线路的输出还应经过相敏检波电路才能分辨Uo的相位。

2.调频测量电路

调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率也发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴频器，将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图2-22所示。

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