电容式传感器的分类、优缺点和电容式传感器的测量转换电路

　　电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。

　　

　　70年代末以来，随着集成电路技术的发展，出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

　　典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

　　电容式传感器的分类及其优缺点

　　电容式传感器的分类

　　根据传感器的工作原理可把电容式传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。

　　根据传感器的结构可把电容式传感器分为三种类型的结构形式。它们又可按位移的形式分为线位移和角位移两种，每一种又依据传感器极板形状分成平（圆形）板形和圆柱（圆筒）形，虽然还有球面形和锯齿形等其他形状，但一般很少用。其中差动式一般优于单组（单边）式传感器，它具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性高等特点。

　　电容式传感器的优缺点

　　1、优点

　　（1）温度稳定性好

　　电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，这有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损，易发热产生零漂。

　　（2）结构简单

　　电容式传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。

　　（3）动态响应好

　　电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10^（-5）N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。

　　（4）可以非接触测量且灵敏度高

　　可非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

　　电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能感应0.01μm甚至更小的位移。由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。

　　1、缺点

　　（1）输出阻抗高，负载能力差。

　　无论何种类型的电容式传感器，受电极板几何尺寸的限制，其电容量都很小，一般为几十到几百皮法（pF），因此使电容式传感器的输出阻抗很高，可达 ～ Ω。由于输出阻抗很高，因而输出功率小，负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。

　　（2）寄生电容影响大。

　　电容式传感器的初始电容量很小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及电容极板与周围导体构成的电容等寄生电容却较大。寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度，而且引起非线性输出。由于寄生电容是随机变化的．因而使传感器处于不稳定的工作状态．影响测量准确度。

　　电容式传感器的测量转换电路

　　电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后 ，将电容量转换成电量的电路称作电容式传感器的转换电路。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。

　　

　　在图1a单臂接法电桥电路中，电容C1、C2、C3、Cx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：

　　

　　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。

　　

　　调频振荡器的频率 ：

　　

　　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。

　　

　　由理想放大器的工作原理得：