电容传感器的测量电路
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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。
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
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。
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。
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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 )
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。
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
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。
D2 D1 ±Ui
R2
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
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 +