發布日期：2022-10-09 點擊率：224
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電容式傳感器信號轉換電路中，（）用于單個電容量變化的測量
描述
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，其電容量都很小（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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第二節電容式傳感器的測量轉換電路常見的有變壓器橋式電路、雙T電橋電路、脈沖寬度調制電路、FM調頻電路等。FM調頻電路調頻電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分,當電容Cx變大時,振蕩器的頻率f變低。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的調制,實現C/f的變換。回目錄調頻(FM)電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏?電容式傳感器的調頻電路與電渦流傳感器的調頻電路有何區別?上式中哪個量是變量?脈沖調制電路利用某種方法對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,在電路的輸出端得到一系列按一定規律變化的、幅值相等,寬度不相等的脈沖。脈沖調制電路分析當雙穩態觸發器的Q端輸出為高電平時,A點通過R1對C1充電,F點電位逐漸升高。在Q端為高電平期間,Q端為低電平,電容C2通過低內阻的二極管VD2迅速放電,G點電位被鉗制在低電平。當F點電位升高超過參考電壓UR時,比較器A1產生一個“置零脈沖”,觸發雙穩態觸發器翻轉,A點跳變為低電位,B點跳變為高電位。此時C1經二極管VD1迅速放電,F點被鉗制在低電平,而同時B點高電位經R2向C2充電。當G點電位超過UR時,比較器A2產生一個“置1脈沖”,使觸發器再次翻轉,A點恢復為高電位,B點恢復為低電位。如此周而復始,在雙穩態觸發器的兩輸出端各自產生一個寬度受C1、C2調制的脈沖波形。當C1>C2時,t1>t2,經低通濾波器后,獲得的輸出電壓平均值Uo為正值。脈沖調制電路的輸出波形a)C1=C2時的波形b)C1>C2時的波形二極管雙T形交流電橋電路Ui是頻率為f的高頻激勵電源(約1MHz),它提供了幅值對稱的方波。VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管,固定電阻R1=R2=R,C1、C2為傳感器的兩個差動電容,初始值C1=C2。在Ui為正半周時,VD1導通、VD2截止,于是電容C1快速充電到Ui的幅值,有電流i1流過RL。在隨后的負半周期間,VD1截止、VD2導通,于是電容C2快速充電到Ui的幅值,而電容C1放電。有電流i2逆向流過RL。二極管雙T形交流電橋電路分析在初始狀態,由于C1=C2,所以電
摘 要：首先介紹了將電容轉換為與其值成正比的直流電壓信號（C/U轉換）或時間信號（C/t轉換）的幾種方法，接著重點分析了一種利用容抗法實現的C/U轉換電路，并給出了具體參數。最后簡單闡述了在生產科研活動中如何利用低功耗電容式傳感器的電容轉換電路對一些非電量進行測量。
關鍵詞：電容；傳感器；轉換；測量
在生產科研活動中，經常要對溫度、壓力等非電量進行測量，使得現代傳感器技術有了飛速的發展。電容式傳感器的檢測元件可將被測非電量變換為電容量，然后通過對電容值的測量得到相應的非電量的值。由此可見對電容值進行測量是有實際意義的。在數字化測量技術中，為實現對電容所測值進行數字顯示，通常是將被測電容Cx先轉換成與其成正比的直流電壓信號（稱C/U轉換）或時間信號（稱C/t轉換）。這里介紹一些具體的轉換方法，并詳細討論一個典型的C/U轉換電路。
1、測量電容的幾種轉換方法
⑴ 充電法測電容
圖1是這種方法的原理圖。集成運放反向輸入端所加的基準電壓Ur經電阻R對被測電容Cx進行充電，當輸出電壓Uo達到預先設定的額定值時就停止充電。在Ur和R為定值的情況下，顯然充電時間t的長短與Cx成正比。由圖1可寫出其關系式：
只要測出時間t的大小，就可得知Cx的值。利用這種C/t的轉換方法測電容，其可測范圍為10μf-999.9μf。
⑵ 充放電法測電容
圖2是這種方法的原理圖之一，它由窗口比較器對電容的充放電進行控制。基準Ur先對Cx進行充電，當兩端電壓達到額定值時就對地放電，當電容兩端電壓降低到一個額定值時再次充電。Cx如此反復的充放電，就形成一個周期為T的震蕩電壓波形，T值與Cx成正比，因此通過測量時間T的大小就可得知Cx的值。這種通過C/t轉換測量電容若配上單片機電容量的分辯率可達（0.5-1）×10-3乘以電容滿度值，可測范圍為0-200μF。
和上述方法相似的另一種測量方式是稱為換向式的測量法，它也是先充電后放電，但放電到-Ur為止通過測量放電的持續時間Td得知Cx的大小，這種方法的優點是對充電電源及放大器參數要求不嚴格，測量誤差小，分辨力可達0.1pF，能滿足電容傳感器的要求。
⑶ 脈寬調制法測電容
圖3是這種方法的原理圖。它是在如圖所示的單穩態觸發器的觸發端輸入一個脈寬為tw，周期為T的矩形波，在閾值為TH加被測電容Cx。通過Cx充放電在輸出端得到一個周期仍為T，但脈寬tw即占空比q=tw/T隨Cx成比例變化的矩形波（所以稱為脈寬調制）。如果能設法測出tw的值，則Cx也可得，這顯然也屬于用C/t轉換法測電容。由于q隨C/x改變是輸出的矩形波電壓平均值Uo值隨之而變，即表明Cx與Uo成正比，所以只要能Uo并測出它的數值，就可以得出Cx的值，顯然這屬于通過C/U轉換測電容。脈寬調制法測電容的范圍為0-20μF，最高分辨別率為1μF，它的缺點是測量前都要手動調零，從而延長了測量時間。
⑷ 容抗法測電容
圖4是這種方法的原理電路圖。運放處于線性工作，Ui是幅度及頻率fo均恒定的正弦測試信號。電容中通過正弦交流信號時，其容抗為Xc=1/（2πfoCx），當fo恒定時，Xc與Cx成反比。
2、按容抗法實現的C/U轉換電路的設計與分析
根據容抗法測量原理，為實現C/U轉換，必須有正弦信號發生器，C/ACU轉換電路，AC/DC轉換電路，濾波器及輔助電路等。
由集成運放N1，電阻R1-R5和C1-C2組成RC橋式振蕩器，其中C1R1和C2R2組成RC串并聯網絡，R3R4R5組成負反饋網絡，通過調整R3R4R5 的值使略大于3滿足起振的條件，即R4+R5>2R3。運放N2是一級反向輸入的緩沖放大器，其電壓增益為A=-（R7+RP1）/R6其中RP1為校準電位器，調節RP1可改變N2的電壓增益。由運放N3、電阻RS和電容Cx組成測量電容的主電路，其功能是實現C/ACU的轉換。由運放N4、電阻R9- R11和電容C3- C4組成二階有源帶通濾波器，其中心頻率fo=400HZ因此有源帶通濾波器只允許400HZ信號通過，這樣就得到一個純正的400HZ的正弦波。由集成運放N5、二極管VD3-VD5電阻R13- R16和，電位器RP2和電容C5- C8組成精密整流電路，電路中的R12是N5的同向端輸入電阻，R13、 R14為負反饋電阻可將N5偏置在線性放大區并控制運放的增益。
3、電容式傳感器的應用
電容式傳感器的檢測元件將被測非電量變換為電容量變化后，用測量線路（C/U轉換電路）把電容容量的變化變換為電壓，再通過電壓與電容的關系得出非電量的值。可應用在測氣體的濃度、油箱油量、導電液體液位等等。
這種電容式轉換電路具有線性度好、準確度高、電路簡單、成本小、功耗低等特點可應用于一些小型、便攜式裝置中。例如數字萬用表就是利用容抗法實現C/U轉換輸出平均值電壓再配以高分辯率的液晶A/D轉換器把模擬量轉換成數字量來測量電容的。
參考文獻：
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