电容检测课件

1、电容式传感器4.3 电容式力传感器4.3.1.电容式传感器的特点一，优点：1温度稳定性好2.结构简单，适应性强 3动态响应好 二，电容式传感器有一下不足之处：1.输出阻抗高，负载能力差 2.寄生电容影响大4.3.2 电容式压力传感器 4.3.3.3 电容式压力传感器工作原理和结构1.电容式压力传感器的工作原理：2.电容式压力传感器的结构：图 431差分式电容式压力传感器低频时，电容式传感器呈电阻特性。Rp为电极间等效漏电阻（或称等效并联电阻）,C为传感器电容。高频时电容式传感器呈电容和电感特性。Rs为等效串联电阻L为等效电感C为传感器电容。大部分电容式传感器工作在比较低的频率其通常采用的等效电

2、路有如所示的两种：串联模型及并联模型。在激励信号为单频率时，两种模型都可准确反映传感器探头的电气性质。一般来说，由于在直流情况下总是有泄漏电流的存在，因此采用并联模型的时候多一些。其核心都是借助于专用测量电路来检测微小的电容值并将其转换为与其成正比的电压或频率信号（有时也可转换为脉冲宽度），即进行C/F转换或C/V转换。C/F转换电路将电容值转化为易测量的频率值，而频率的测量可以用计数器，其优点是较易于实现与数字仪器和计算机接口，但频率测量速度往往会影响传感器在动态测量场合的使用。C/F转换也可以用F/V转换器以电压量形式输出，C/V转换是直接将电容量变换为模拟电压量输出的方法。这种方式则需要

3、再配以A/D转换器进入数字系统。振荡器式振荡器式检测电路分为RC振荡器式和LC振荡器式两种。将被测电容作为RC或LC振荡器中的电容元件，接入到振荡器电路中，电容的改变直接导致振荡器的振荡频率变化。因此通过测量振荡器频率即可得到相应的电容值。最常见的振荡器式检测电路恐怕就是RC振荡器。几乎现有的各种RC振荡器电路均可用来作为传感器的检测电路。这一电路的缺点在于无法防止杂散电容的影响：如敏感元件与检测电路之间是通过同轴电缆相连则电缆电容将叠加在所测量的电容中影响测量的稳定性及灵敏度.但这一电路的优点在于其与CMOS工艺的兼容性，有利干传感器的微型化、集成化。将张弛振荡器与数字电路相结合，可有效提高

4、检测电路的精度。LC型振荡器的振荡频率范围很宽其工作频率可在数百千赫到数百兆赫间变化因此比较起频率相对较低的RC振荡器有明显的优势。图所示为典型的LC振荡器式传感器原理。其中Cs为与被测电容Cx并联的全部分布电容,f0为振荡器基础振荡频率。在各种形式的LC振荡器中，以三点式振荡器最为常见，电路的频率稳定度一般可达到10-4-10-5数量级。导致这种检测电路产生漂移的主要因素在于电路本身的频率稳定性及分布电容的影响。图所示的差频式电容传感器采用参比振荡器提供参比频率与检测振荡器的输出频率混频，输出量则为二者频率之差。由于参比振荡器中除被测电容外其他部分均设计成尽可能与检测振荡器相同且工作环境也近

5、似因此这种形式可有效提高输出稳定性。并且差频输出的频率值较低一方面有利于后续信号检测电路的设计。另一方而也有利于采用较高工作频率以得到较高的灵敏度。正弦信号源提供激励电压V1，激励由已知电容以及由已知电感L、被测电容Cx、泄漏电阻Rx、分布电容Cs1、电压表并联寄生电容Cp1，组成的并联网络所形成的分压电路，通过调谐激励信号源频率使电路处于谐振状态，则被测电容C可由谐振频率fr计算得到：而泄漏电阻Rx则可由分压比计算得到：这种检测方案所测量得到的电容值中包含了分布电容Cs1及电压表并联寄生电容Cp1。图所示的电流检测方式可避免这种情况。谐振状态由电流表检测.分布电容Cs1为虚地，而Cs2则直接

6、由信号源激励因此分布电容的存在并不会对检测结果造成影响。这种测量方式尤其适合于小电容值测量。泄漏电阻抗则可由式计算得出：其中Ir为谐振状态下由电流表检测得到的电流值。充放电式检测电路利用方波信号控制电路中模拟电子开关的状态，从而实现对被测电容的充电放电控制。同样可实现电容的检测。其中Cx为被测电容，而Cs1、Cs2则为寄生电容。利用方波信号控制CMOS开关Sl-S4的开关状态，从而实现对被测电容充放电循环的控制。每个方波信号周期实现一次充放电循环。其中Sl、S4同时开关，S2、S3同时开关。这种充放电容式检测电路的最大优点在于对分布电容Cs1、Cs2不敏感：在充电状态，Cs1直接与充电电源M相

7、连，在放电状态则直接与地相接。两种状态下均不会对充放电电流产生影响。而由于运算放大器的虚地特性,Cs2同样不会对充放电电流产生影响。这种充放电式检测电路同样可采用CMOS工艺实现集成。目前该电路的测量精度可以达到。0.3fF，已经成功应用于电容层析成像。所存在的不足主要是电路的性能要受到CMOS电子开关本身特性的限制：一是电子开关所附带的寄生电容，由于其与Cx串联对测量结果的影响无法避免；另一是电子开关切换噪声的存在限制了测量电路性能的进一步提高。由于充/放电循环，上图的输出电压中含有交流成分，需要进行低通滤波处理。其体电路原理如图 所示。AC桥式检测电路与电阻式传感器类似，从电容式传感器获得电信号的常用方法就是利用欧姆定律。阻抗的变化可以通过在被测阻抗上施加恒定交流电压时测量电流变化的方式进行检测，也可以通过恒定交变电流激励时测量阻抗两端压降变化的途径进行检测。与电阻式传感器类似，分压器法同样可用来测量电容式传感器容抗的变化。这实际上是一种半桥式检测电路。包含其有线性阻抗变化Z0(1x)的传感器和固定阻抗Z= Z0的分压器法检测电路其输出电压：在这个电路中，Vout相对于x呈非线性。此外，与传感器并联的杂散电容将引入测量误差。为克服上述电路问题，提出了差动式传感器（图b）电路，其输出电压电容检测电路振荡器式检测电路RC张弛振荡器检测电路LC振荡器原理图电容检测电路