电容器式感应器原理

电容传感器感应器分为单电容传感器和差分信号电容传感器二种。如图所示1所显示。

图1 单电容传感器和差分信号电容传感器感应器

（a） 单电容传感器

（b） 差分信号电容传感器

图1（a）为两平行面板构成的电力电容器，图1（b）为两平行面板正中间插进极片构成的差分信号电容器感测器。对图1（a）来讲，当忽视电力电容器的边界效应时：

电力电容器的容量为：

式中A为电力电容器的极片总面积，d为极片的间距，er、e0为相对介电常数。

电容传感器中的变空隙式电容传感器的C-d特点如图2所显示。

图2 变空隙式电容传感器的C-d特点趋势图

单电容传感器的一个极片固定不动，称之为静极片，另一极片与被测物件联接为动极片。差分信号电容传感器的左右极片均固定不动，称之为静极片，正中间极片为动极片。当被测物件挪动时动极片追随挪动，就更改了极片间的容量C，得知C-d特点是一条曲线图：

当d0减小Dd时，且Δd《 d0

（1）

由（1）式可获得：

（ 2 ）

当Dd/d0《《1时，获得进一样线性相关；

电容传感器的敏感度：

（3）

假如充分考虑（2）式中的线形项和离散系统项：

；

电容传感器的相对性离散系统偏差：

（4）

从（3）式还可以看得出，要提升敏感度，应减少电容器起止空隙d0 ，但d0的减少遭受电力电容器击穿电压的限定，不但加工精度规定高，电容传感器的相对性离散系统偏差提升。

为提升控制器的敏感度K，提升精密度、减少离散系统偏差&，电容传感器大多数选用差动保护式构造。在差分信号电容传感器中，当动极片的运动间距为Dd时，电容器C1的空隙d1变成d0-Dd，电容器C2的空隙d2变成d0 Dd。

当Dd/d0≤1时，获得进一样线性相关

；

差动保护电容传感器的敏感度

；

差动保护电容传感器的相对性离散系统偏差：

（5）

由此可见，电容传感器选用差动保护方法以后，敏感度提升了一倍，相对性离散系统偏差减少了一个量级。此外，差动保护电容传感器突显优势是最大限度地减少环境危害所产生的偏差。

就MEMS单电容传感器和差分信号电容传感器感应器来讲，单电容传感器感应器在50Hz~20KHz范畴内频率响应线性好，未来可制成微话筒替代柱节式液位传感器，用在手机里。差分信号电容传感器在0Hz-1KHz范畴内频率响应线性好，现阶段已广泛运用在低頻地震数据检验上。

单电容传感器调养电源电路

传统式的电容器检验办法有辐射跃迁法和脉冲宽度调制法，辐射跃迁法常见于单电容器检验，脉冲宽度调制法较常用于差分信号电容器检验。图3是波形产生器电源电路，造成的波形頻率。

假如 Rf 为参量，则f是Cx（x）涵数，可依据测量fpwm占空比，测算出Cx（x）的值。事实上，图3电源电路仅可精确测量静态数据电容器，针对精确测量动态性电容器，务必对线路开展改善， 对Cx的辐射跃迁全过程开展维护。改善的办法是用电容器性有源网络在电源电路中替代Cx，如图4所显示。U3是辐射跃迁放大仪，是互联网的管理中心；U2是追随器；U4是牙套保持器，电源电路静态数据串联谐振以38KHz~40KHz为好。

图3 波形产生器电源电路

图4 由RC和运放电路构成的电阻性有源网络

用有互联网替代Cx，可组成电容器—頻率转化器：

式中。

电容器—頻率转化器輸出頻率：

；

式中 Rf 、C1、C2、R5、R6为参量。

该电源电路静态数据串联谐振一般以38KHz~40KHz为好。

差分信号电容传感器调养电源电路

现阶段盛行的MEMS元器件加速度传感器，其传感器原理一般根据差动保护电容器。加速度传感器关键由品质弹性元件、位移测量系统软件及脉冲调制电源电路组成，能够依据精确测量DC 获得物体的运动速率和瞬时速度。

图5 MEMS电容传感器震动瞬时速度感应器

如图所示5所显示，正中间极片（即承重梁的外伸一部分）与二个固定不动的外极片构成差动保护电容器 CS1和CS2。沒有瞬时速度时，CS1=CS2；造成瞬时速度时，承重梁的挪动更改了正中间极片和固定不动的外极片中间的相对位置，造成电容器转变 ，CS1≠CS2。根据检测电源电路，将电容器的改变在另加交流电流的鼓励下转换为电力学量，可以测出该物件相对应的加速度或瞬时加速度值。

图6 交直流电源鼓励差分信号电容器震动瞬时速度感应器调养电源电路程序框图

图7 交直流电源鼓励的差分信号电容器震动瞬时速度感应器的调整电源电路

实际电源电路如图所示7所显示：U0（MAX038）频率计集成ic造成1MHz的正弦函数沟通交流数据信号；U1（AD797）运放电路构成正相反占比放大仪，U2（AD797）运放电路构成同相占比放大仪。1MHz的沟通数据信号经U1、U2后，变成尺寸相同、方位反过来、相位差相距180o的二个沟通交流鼓励数据信号，用于鼓励差分信号电容传感器；U4（AD745JR）是高输入电阻辐射跃迁放大仪。U4是调养电源电路的管理中心，在另加鼓励数据信号的效果下，感应器震动造成的辐射跃迁成工作电压讯号的转变。R12、R13、R14选用T型相互连接，目地是提高电源电路特性阻抗和电控系统变大倍率。U6（AD797）运放电路是 将C11、R16构成的高通芯片过滤器除去低頻影响后的电流讯号经适度变大，为下一步同歩调制解调做好提前准备；U3（AD797）运放电路构成的移相电路，其功效是使调配数据信号和调制解调数据信号同歩；U5同歩调制解调器，选用ADI企业生产制造的均衡调制解调器AD630，经U5同歩调制解调出的电流数据信号便是反映震动瞬时速度尺寸的数据信号；U9（OP137）运放电路构成二阶数字功放带通滤波器，滤掉数据信号中高频率噪声成分；U10（OP177）运放电路构成 追随器，数据信号经调节后追随輸出。

U7（OP137）运放电路构成意见反馈AGC控制回路，将震动瞬时速度数据信号的输入输出数据信号意见反馈回源极，使动极片造成和加速度方向反过来的静电力，目地是提升加速度传感器的精确度和网络带宽。该套加速度传感器的屏幕分辨率为2-18。

鼓励数据信号选用正弦函数沟通交流数据信号而无需波形数据信号，是由于波形数据信号为离散变量数据信号沒有持续性，调制解调的时候容易造成顶峰单脉冲杂讯，杂讯不容易滤掉，而且贯串全部电源电路，危害精确测量屏幕分辨率。

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