传感器与检测技术第二版陈洁黄鸿第七次电容传感器测量电路详解.ppt

驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电，从而消除寄生电容的影响。 运算放大器驱动法 测量电路 1.电容传感器的等效电路(自学) 测量电路分类 测量电路（转换电路） 调制型 脉冲型 调频电路 调幅电路---电流电桥（输出交流信号） --------------直接通过低通滤波之后即可得到 反映极板变化方向的直流信号 测量电路------1、调频电路（了解） 图中调频振荡器的振荡频率为 被测量 电容变化 频率变化 把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度， 可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量， 并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可以发送、 接收， 以达到遥测遥控的目的。 2、运算放大器式电路（了解） 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。由运算放大器工作原理可得 运算放大器式电路 如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，代入上式，可得 可见，采用运算放大器的变极距型电容传感器的输出电压与极距成正比 式中“－”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 　　 运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，注意条件：要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度， 还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。 2、二极管双T形交流电桥（了解） 如图4-14示。 　　e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。 图4-14 二极管双T形交流电桥 当传感器没有输入时，C1=C2。 电路工作原理：当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图4-14（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。 　　当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图4-14 （c）所示；在随后出现正半周时， C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2 。 　　电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。 若传感器输入不为0，则C1≠C2, I1≠I2, 此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零， 因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为 式中, f为电源频率。 当RL已知， 则测量电路输出电压与传感器电容值之间关系为： 结论：输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。 电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。 当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、 R2及RL有关，约为1~100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1 kΩ的负载电阻上升时间为20μs左右， 故可用来测量高速的机械运动。 3、 脉冲宽度调制电路 （了解） 图4-16 脉冲宽度调制电路图 图4-17 脉冲宽度调制电路电压波形 电路各点波形如图4-17（b）所示，此时uA、uB脉冲宽度不再相等，一个周期(T1+T2)时间内的平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后， 可获得Uo输出 式中： U1——触发器输出高电平；  T1、T2——Cx1、Cx2充电至Ur时所需时间。 由电路知识可知 （4-39） （4-40） 将T1、T2代入式（4-38），得 （4-41） 把平行板电容的公式代入式（4-41），在变极板距离的情况下可得 （4-42） 式中, d1、d2分别为Cx1、Cx2极板间距离。  当差动电容Cx1= Cx2=C0，即d1=d2=d0时，Uo=0；若Cx1≠Cx2， 设Cx1 Cx2 ，即d1=d0-Δd, d2=d0+Δd, 则有 （4-43） 同样， 在变面积电容传感器中， 则有 （5-44） 由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。