电容式传感器的测量电路优化

通常电容量是非常小的，直接测量电容也不方便，更不便于传输。因此需要用测量电路将电容量的变化转换成与之有对应关系的电压、电流或频率的变化，以便于显示、记录与传输。电容传感器的测量电路有很多，下面介绍几种典型电路。

1.交流电桥

将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥把电容量的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻-电容、电感-电容组成的交流电桥，图3-11为电感-电容电桥。

图3-11　电感-电容电桥

变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的4个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量变化相对应的输出，最后为仪表显示记录。

2.调频电路

这种测量电路是把电容式传感器与一个电感配合构成振荡器的谐振电路。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡器的振荡频率产生相应的变化，再通过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大电路即可显示，这种方法称为调频法。图3-12就是调频-鉴频电路的原理图。

图3-12　调频-鉴频电路原理图

调频振荡器的振荡频率由下式决定

式中，L为振荡回路的电感；C为振荡回路的总电容。

振荡回路总电容一般包括传感器电容C0±ΔC，谐振回路中的固定电容C1和连接电缆的分布电容Cc。以变极距式电容传感器为例，若没有被测信号，则Δδ＝0，ΔC＝0。这时C＝C1＋C0＋Cc，所以振荡器的振荡频率为

f0一般取1MHz以上为宜。

当传感器工作时，若Δδ≠0，则ΔC≠0，振荡频率也相应改变Δf，则有

振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波，其频率由式（3-15）决定。(https://www.xing528.com)

提　醒

测量电路的优点是灵敏度很高，可测0.01m的位移变化量，抗干扰能力强（加入混频器后更强）。缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压U0与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。

3.运算放大器式电路

图3-13为运算放大器式测量电路的原理图。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可以认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为

将代入上式，则有

图3-13　运算放大器式测量电路

式中，Uo为运算放大器的输出电压；Ui为信号源电压；Cx为传感器电容；C0为固定电容器电容。

式（3-17）说明输出电压Uo与动极板的机械位移δ成线性关系。

提　醒

运算放大器式测量电路就是前述的当电容传感器以容抗XC输出时，XC与位移x成线性关系，且不受x＜＜δ0的约束。

4.脉冲宽度调制电路

脉冲宽度调制电路（PWM）是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，然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。如图3-14所示。

脉冲宽度调制电路的特点是能获得线性输出；双稳态输出信号一般为100kHz～1MHz的矩形波，所以直流输出只需经滤波器简单引出，不需要解调器，即能获得直流输出。电路采用稳定度较高的直流电源，这比其他测量电路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电源易于做到。若将双稳态触发器Q端的电压信号送到计算机的定时、计数引脚，则可以用软件来测出占空比q，从而计算出ΔC的数值。

图3-14　脉冲宽度调制电路