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电容式传感器的应用_电容式传感器测量电路
发布时间:2021-08-23   点击次数:66次

电容式传感器的应用

 

电容式传感器具有结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好等优点,广泛用于压力、位移、加速度、厚度、振动、液位等测量中。但在使用中要注意以下几个方面对测量结果的影响:①减小环境温度、湿度变化(可能引起某些介质的介电常数或极板的几何尺寸、相对位置发生变化);②减小边缘效应;③减少寄生电容;④使用屏蔽电极并接地(对敏感电极的电场起保护作用,与外电场隔离);⑤注意漏电阻、激励频率和极板支架材料的绝缘性。

 

电容式传感器应用中的注意事项

 

1)克服寄生电容的影响

 

电容式传感器由于受结构与尺寸的限制,其电容量都很小(pF到几十pF),属于小功率、高阻抗器件,因此极易外界干扰,尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰,它与传感器电容相并联,严重影响感器的输出特性,甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响,是电容式传感器实用的关键。

 

2)克服边缘效应的影响

 

实际上当极板厚度h与极距δ之比相对较大时,边缘效

 

应的影响就不能忽略;边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低,而且产生非线性。

 

3)克服静电引力的影响

 

电容式传感器两极板间因存在静电场,而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小,但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下,须考虑因静电引力造成的测量误差。

 

4)温度影响

 

环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系,从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两方面。

 

电容式传感器的测量转换电路

 

目前较常采用的有电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等,这里只介绍电桥电路和运算放大器电路。

 

一、 电桥电路

 

将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个或两个相邻臂,另外两臂可以是电阻、电容或电感,也可以是变压器的两个次级线圈,如图1所示。

 

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在图1a单臂接法电桥电路中,电容c1c2c3cx构成电桥的四臂,cx为电容传感器,当cx改变时,u0≠0,有输出电压。

 

在图1 b差动接法电桥电路中,其输出电压可用下式表示:

 

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由于电桥输出电压与电压成比例,因此要求电源电压波动极小,需要采用稳幅、稳频等措施。因此,在实际应用中,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。

 

由电桥电路组成的系统原理框图如图2所示。

 


二、调频电路

 

将电容传感器接入高频振荡器的lc谐振回路中,作为回路的一部分。当被测量变化使传感器电容改变时,振荡器的振荡频率随之改变,即振荡器频率受传感器电容所调制。其电路组成原理框图如图3所示。

 

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特点:

 

转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。

 

具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01μm级位移变化量。

 

但非线性较差,可通过鉴频器(频压转换)转化为电压信号后,进行补偿。

 

三、运算放大器式电路

 

将电容传感器接入开环放大倍数为a的运算放大电路中,作为电路的反馈组件,如图4所示。图中u是交流电源电压,c是固定电容,cx是传感器电容,uo是输出信号电压。

 

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(来源:网络,版权归原作者)


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