谐振电路
谐振式电路的原理方框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路（L2，C2 ，Cx）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器 取得振荡电压。
工作原理: 当电容传感器的电容Cx发生变化时，谐振回路的谐振频率发生变化，相
对于高频振荡器的频率来说是失谐的，这样使得谐振回路两端的电压振幅也 就发生了变化，也就是说，该电路具有将电容Cx的变化转换为谐振回路两 端电压振幅变化的作用，即谐振回路两端将获得一个受电容Cx变化量调制 的调幅波。该调幅波经检波器检波后，再经过放大器放大即可指示出输入量 的大小。
调频接收系统可以分为直放式调频和外差式调频两种类 型。外差式调频线路比较复杂，但选择性高，特性稳定，抗 干扰性能优于直放式调频。
3. 调频电路
1 f
2p L0Cx
用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点： •（1）抗外来干扰能力强； •（2）特性稳定； •（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，易于同数字仪器和计算机接口。
•
•
U
o
U
d
2 d0
（其 C x1d 中 0 A d， C x2d0 A d）
优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。
缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位移方向。
3.调频电路
电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量 使电容量发生变化后，就使振荡器的振荡频率发生变化，频 率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以 用仪表指示或用记录仪器记录下来。
为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一
边，即最大振幅Um 的70%附近地方，如图所示，且工作范围尽量选 在接近线性的BC段内。 这种电路的特点是比较灵敏，但缺点是：
•（1）工作点不容易选好，变化范围也较窄；
•（2）传感器与谐振回路要离得比较近，否则电缆的杂散电容对电路的
•
影响较大；
3．变介电常数电容式传感器 变介电常数电容式传感器原理动画演示
常用材料的介电常数
经推导可知变介电常数式电容传感器其电容 与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式 表示：
Cx ABx
其中A、B均为与结构和介质有关的常数
三种电容式传感器比较表
二、测量转换电路
电容式传感器
测量电路
1.运算放大器电路
电容C1和C2的充电时间为:
T1
R1C1lLeabharlann n U1 U1 UfT2 R2C2lnU1U1Uf
电阻R1=R2=R， 综合以上三式:
Uo UABC C11 C C22U1
上式说明，直流输出电压正比于电容C1与C2的差值，其 极性可正可负。
说明: (1)利用平行板电容公式，在变间隙的情况下可得:
Uo UABdd22 dd11U1
电压或频率信号
2. 变压器电桥电路
Cx1 C0 C Cx2 C0 C
•
•
•
•
•
U
Uo UCx2 2
＝U
Z Z Cx1
Cx2
ZCx2
U 2
•
•
•
U
1 U ＝U Cx1 Cx2
11
jCx2 2 2 Cx1 Cx2
jCx1 jCx2
可得：
•
• U C Uo
2 C0
对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：
常数就发生改变，这时电路中各点的电压波形如图（b）所 示，由图可见，A，B两点平均电压值不再为零。当矩形电 压波通过低通滤波器后，可得出直流分量:
Uo UABT T11 T T22U1
T1 ─ C1的充电时间； T2 ─ C2的充电时间； U1 ─ 触发器输出的高电位
由于U1的值是已知的，因此，输出直流电压UAB随T1和 T2而变，亦即随UA和UB的脉冲宽度而变，从而实现了输出 脉冲电压的调宽。当然，必须使参考电位Uf小于U1。由电路 可得出，电容C1和C2的充电时间为:
•（3）为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性。
.
电容传感器的谐振电路
4. 脉冲宽度调制电路
经分析推导得：
U0＝ C C1 1－ ＋ C C2 2U1＝ CC 0U1
由图可见A，B两点平均电压值UAB为零。但是，差动电 容C1和C2值不相等时，如C1＞C2，则C1和C2充放电时间
式中d1，d2 ─ 分别为C1，C2电极极板间的距离。 当差动电容C1=C2=C0时，即d1=d2=d0时，Uo=0。当差动 电容C1≠C2，设C1＞C2，即d1= d0－△d，d2= d0＋△d， 则式
Uo
d d0
U1
(2)在变面积的情况下有
Uo UABSS11 SS22U1
式中S1，S2─—分别为C1，C2电极极板面积。
1．变极距式电容传感器
C0
A d0
Cx
A d0
x
变极距式电容传感器原理动画演示
结构示意图
1－定极板 2－动极板
电容量与极板距离的关系
变极距式电容传感器结构及特性曲线
忽略高次项得
C 2C0
d d0
则灵敏度系数
kC2C0 d d0
2s
d0 2
结论：
①差动结构可使传感器灵敏度提高一倍。
②减小了非线性误差。
Uo
S S
U1
由此可见，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电 容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都成线性 关系。
公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输 出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。 脉冲调宽电路具有以下五方面的特点： ①消除了非线性； ②不需要相敏检波即能获得较大的直流输出； ③电路只采用直流电源，不需要频率发生器； ④频率对输出无影响； ⑤对输出矩形波纯度要求不高。
③能够更好地克服温度等外界共模信号干扰。
2．变面积式电容式传感器
x θ
S
C
0
d
S (1 q / p )
C
C (1 q / p )
x
d
0
a)
动极板有角位移时，与定极板的有效面积变化， 变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度 是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位 移、尺寸等参量。
一、工作原理及结构形式
电容传感器的理想公式为
CA0rA
dd
d ——极板间距离； A ——极板面积； ε——电容极板间介质的介电常数。
改变d、A、 三个参量中的任意一个量，均可使
平板电容的电容量C 改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电
容传感器。
声传感器应用模型
几种不同电容式传感器的原理结构图