5电容式传感器的信号调理电路讲解.pptx

电容式传感器的信号调理电路五、实际上，电容式传感器并不是一个纯电容，其完整的等效电路如图3-33（a）所示。Ｌ包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间及极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。

在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此Ｌ和ｒ的影响可以忽略。其等效电路可简化为图3-33（b），其中等效电容Ce＝C0+Cp，等效电阻Re≈Rg。在高频时，传感器电容的阻抗就变小了，因此，Ｌ和ｒ的影响不可忽略不计，而漏电阻的影响可以忽略不计。其等效电路可简化为图3-33（c），其中，等效电容Ce＝C0+Cp，等效电阻Re≈r。引线电缆的电感很小，只有工作频率在10MHz以上时，才考虑其影响。传感器电容极板间的有功损耗致使传感器电容电压和电流相位差比90°小一个δ角，利用这些特点又可测量更多的量，如石油的含水量和种子或土壤的湿度等。

由电容式传感器的等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，就破坏了电容的正常作用。因此，供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其1/3~1/2，传感器才能正常工作。图3-33电容式传感器等效电路

电桥电路1.将电容式传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂（另一个臂为固定电容）或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥，具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合在高频电源下工作；而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。

电容电桥的主要特点有：（1）高频交流正弦波供电。（2）电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，须采用稳幅、稳频等措施。（3）电桥通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥。（4）输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。

调频电路2.电容式传感器的转换电路还可利用谐振式调频电路，主要区别在于此时电感固定而电容随被测量的变化而变化。调频测量电路是将传感器电容Ｃx与电感元件，配合放大器构成一个振荡器谐振电路。当电容式传感器工作时，输入量导致电容量发生变化，振荡器的振荡频率就发生变化，将频率的变化通过鉴频电路变换为振幅的变化，经放大后，就可用仪表指示或记录仪器记录下来。

调频接收系统可分为直放式调频和外差式调频两种类型。外差式调频电路比较复杂，但性能远优于直放式调频电路，其主要优点是选择性高、特性稳定、抗干扰能力强。图3-34所示为调频电路原理框图。图3-34调频电路原理框图

调频振荡器的振荡频率为（3-45）式中，Ｌ为振荡回路的电感；Ｃx±ΔＣ为传感器的电容；C1为振荡回路的固有电容；C2为传感器引线的分布电容。?当被测信号为零时，ΔＣ＝0，则总电容Ｃ＝Cx+C1+C2，所以振荡器有一个固有频率f0，其表示式为（3-46）当被测信号不为零时，ΔＣ≠０，则振荡频率发生相应的变化，此时频率变为（3-47）

用调频系统作为电容式传感器的测量电路具有下列特点：①抗干扰能力强，特性稳定；②具有较高的灵敏度，可以测量0.01μm级的位移变化量；③能取得高电平的直流信号（伏特数量级）；④因为是频率输出，易于用数字仪器测量，并和计算机接口通信，可以发送、接收信号，达到遥测遥控的目的。

差动脉冲调宽电路3.脉冲宽度调制（PWM）电路利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，再通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。差动脉冲调宽电路如图3-35所示。图3-35差动脉冲调宽电路

使触发器再次发生翻转，重复前述过程，电路各点波形如图3-36所示。图3-36差动脉冲调宽电路波形图

如果是差动变极距型电容式传感器，设C1＞C2，即（3-51），可以得到输出电压为（3-52）同理，如果是差动变面积型电容式传感器，则输出电压为