03 电容式传感器.ppt

图(a)中C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容。RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。 C2 UE (b) Ｕｏ R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + － ＋ ±UE (a) C1 C1 C2 UE RL RL R R R R + + + + iC1 iC2 i’C1 i’C2 (二）二极管双T形电路 电路的工作原理如下： 当电源电压U为正半周时，VD1导通，VD2截止，于是C1充电；当电源负半周时，VD1截止，VD2导通，这时电容C2充电，而电容C1则放电。电容C1的放电回路由图中可以看出，一路通过R1、RL，另一路通过R1、R2、VD2，这时流过RL的电流为i1。 到了下一个正半周，VD1导通，VD2截止，C1又被充电，而C2则要放电。放电回路一路通过RL、R2，另一路通过VD1、R1、R2，这时流过RL的电流为i2。 如果选择特性相同的二极管，用R1=R2，C1=C2，则流过RL的电流i1和i2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。此时输出电压值为 当R1=R2=R，RL为已知时，则 这一个常数，故上两式代入可写成 I.? 信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点。 II.?二极管V1和V2工作在伏安特性的线性段。 III.??输出电压较高。 IV.??电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。 V.?可以用作动态测量。 （三）二极管环形检波电路 （四）差动脉冲调宽电路 又称差动脉宽(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。 右图为差动脉冲调宽电路原理图，图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。 R2 双稳 态触 发器 VD1 VD2 A1 A2 A B R1 C1 C2 uAB F Q Q Ur 差动脉冲调宽电路 G t uA uA uB uB uAB uAB UF UF UG UG Ur Ur Ur Ur -U1 U1 T1 U1 -U1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T2 U1 U1 U1 U1 T1 T2 t t t t t t t t t (a) (b) 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 U0 UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为 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。 C1、C2的充电时间T1、T2为 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。 Ur—触发器的参考电压。 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为 d1、d2和S1、S2，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 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。 （五） 运算放大器式电路 其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图 将Cx = εS/d 代入上式得 -A ～ uo C Cx u ∑ 运算放大器式 电路原理图 负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=∞，输入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 当Cx无变化时，要满足初始值等于零 显然，就必须使初始状态 当Cx有变化时，Usc0′变为Usc1′，则有 总输出的改变量即输出电压 当Cx0=C0时， 当Cx和C0为完全相同的电容时，还可以对环境温度的影响进行补偿。 §3-3 电容式传感器的误差分析 一、温度的影响 环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面： （一）温度对结构尺寸的