电容传感器的测量电路

电容式传感器的测量电路
一、 调频电路
这种测量电路是把电容式传感器与一个电感元 件配合成一个振荡器谐振电路。当电容传感器工作 时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变 化。再通过监频电路将频率的变化转换为振幅的变 化，经放大器放大后即可显示，这种方法称为调频 法。图3.10就是调频-鉴频电路原理图。 调频振荡器的振荡频率由下式决定
U1 T2 R2C2 ln U1 U r
C1 C2 U0 U1 C1 C2
设R1＝R2＝R，则
因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。
设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2 和A1、A2，将平行板电容公式代入上式，对差动 式变极距型和变面积型电容式传感器可得
d 2 d1 A1 A2 U0 U1；U 0 U1 d1 d 2 A2 A1
Cx
ui
u0
U Ci U0 i Cx
以 Cx
运算放大器式测量电路
0A
d
代入上式，则有
U Ci d U0 i 0A
可以看出，输出电压与动极片机械位移d成线性关系。
三、二极管双T形电路
供电电压是幅值为±Ui、周期为T、占空比为 50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正 半周时，电路等效为典型的一阶电路，如图(b)。 其中二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极其短 的时间充电，电容C2通过R2、RL放电。
D2 D1 ±Ui
R2Байду номын сангаас
R1
R1 ＋
R2
C2
iC1 + C1
iC2 +C (a) RL
2
UE +C1 iC1 RL
Ｕｏ －
(b)
iC2 +
当电源为负半周时，其中二极管D2导通、 D1 截止，电容C2 被以极其短的时间充电， 电容C1 通过R1、RL放电。电路等效为图(b)。
D2 D1 ±Ui iC1 + C1 R2 R1 iC2 +C (a) RL
四、差动脉冲调宽电路
又称脉冲宽度调制电路，利用对传感器电容 的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量 变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变 化的直流信号。 D1 图中C1、C2为差动式 A1 传感器的两个电容， F Q A R1 双稳 C1 若用单组式，则其中 uAB 态触 Ur 一个为固定电容，其 发器 Q B R2 C2 G 电容值与传感器电容 A2 初始值相等；A1、A2 D2 是两个比较器，Ur为其 差动脉冲调宽电路 参考电压。
f0 一 般 应 选 在 此 MHz 以 上 。 当 传 感 工 作 时 ， △ d≠0，则△ C≠0，振荡频率也相应改变△ f ，
则有
1 f 0 f 2 L(C1 C0 C2 C)
二、运算放大器式测量电路
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 此可认为它是一个理想运 算放大器，其输出电压为 Ci +
特点：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，需采用稳幅、稳频等措施； ③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(几MΩ 至几十MΩ )，输 出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数 的处理电路。
可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容 式传感器，并具有理论上的线性特性。这是十分 可贵的性质。在此指出：具有这个特性的电容测 量电路还有差动变压器式电容电桥和由二极管T 形电路经改进得到的二极管环形检波电路等。
另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其 电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要 求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无 线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流 电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。
f 1 2 LC
式中，L为振荡回路电感；C为振荡回路总电容。
振荡回路的总电容一般包括传感器 C0±△C， 谐振回路中的固定电容 C1 和传感器电缆分布电 容 C2 。以变间隙式电容器为例，如果没有被测 信号，则△d≠0，则△C≠0，这时C=C1+C0+C2， 所以振荡器的频率为 1 f0 2 L(C1 C0 C2 )
T1 T2 T1 T2 U0 U A U B U1 U1 U1 T1 T2 T1 T2 T1 T2
UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。 Ur—触发器的参考电压。
U1 T1 R1C1 ln U1 U r
2
R1
R2
＋
C1 + i’ C1
RL
i’C2
C2 +
UE
Ｕｏ －
(b)
如果二极管具有相同的特性，且令C1=C2， R1=R2=R，则正半周和负半周流过负载的电流 大小相等，方向相反，即一个周期内流过负 载的平均电流为零。如果C1≠C2, 输出电压的 平均值为
RRL R 2 RL U0 U i f C1 C2 2 ( R RL )
uA U1 0
uA U1 0 t t
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 U F T1 Ur 0 UG Ur 0 (a)
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 UF Ur 0 UG Ur 0 (b) T1
t
t U0 t
t
t
T2 t
T2
t
t
差动脉冲调宽电路各点电压波形图
UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为
其f中为电源频率。输出电压不仅与电源的频 率和幅值有关，而且与电容的差值有关。
电路特点： ①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了 电容引线、减小了分布电容的影响； ②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们 高度稳定； ③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容 式传感器高内阻的缺点；
④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容 式传感器。
五、电桥电路
将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另 一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另外桥臂可 以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个 二次线圈。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，适合于高频 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。