第5章 電容式2測(cè)量電路

1、再見 5.4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路 5.4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路 5.4.1 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 5.4.2 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 5.4.3 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋形交流電橋 5.4.4 環(huán)形二極管充放電法環(huán)形二極管充放電法 5.4.5 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 5.4.1 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻式測(cè)量電路原理框圖 鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu 調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分振蕩器諧振回路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)

2、生變化時(shí)，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 可以直接使用可以直接使用頻率計(jì)頻率計(jì)測(cè)量振蕩器的測(cè)量振蕩器的輸出頻率，從而判斷被測(cè)非電量的大小。輸出頻率，從而判斷被測(cè)非電量的大小。 但此時(shí)但此時(shí)系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)是非線性的，的，不易校正。不易校正。 加入加入鑒頻器鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅電壓振幅的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。器指示或記錄儀記錄下來(lái)。 調(diào)頻式測(cè)量電路原理框圖 鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器CxLCx電 容 變 換 器fufu12fLC L振蕩回路的電

3、感；振蕩回路的電感； C振蕩回路的總電容，振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx C1為振蕩回路的固有電容為振蕩回路的固有電容, C2為傳感器引線的分布電容為傳感器引線的分布電容, Cx=C0C為傳感器的電容。為傳感器的電容。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為當(dāng)被測(cè)信號(hào)為 0 時(shí)，時(shí)，C=0，則則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個(gè)固，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率有頻率f0 , 012012()fCCCL 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，時(shí)，C0， 振振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)頻率為 012012()fffCCCC L 調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)： 具

4、有較高的靈敏度，具有較高的靈敏度， 可以測(cè)量可以測(cè)量0.01m的位移變化量。的位移變化量。 信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)信號(hào)的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，量，并與計(jì)算機(jī)通訊， 抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、 接收，接收， 以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。以達(dá)到遙測(cè)遙控的目的。 5.4.2 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大， 輸入阻抗輸入阻抗 Zi 很高。很高。 電容式傳感器使用運(yùn)算放大器，可電容式傳感器使用運(yùn)算放大器，可以設(shè)計(jì)出比較理想的測(cè)量電路。以設(shè)計(jì)出比較理想的測(cè)量電路。 cbICiUiIcxICxoUA 運(yùn)

5、算放大器式電路原理圖 Cx 為電容式傳感器電容；為電容式傳感器電容； Ui 是交流電源電壓是交流電源電壓; Uo 是輸出信號(hào)電壓是輸出信號(hào)電壓; 是虛地點(diǎn)。是虛地點(diǎn)。 cbICiUiIcxICxoUA 運(yùn)算放大器式電路原理圖 由運(yùn)算放大器工作原理可得由運(yùn)算放大器工作原理可得 o-=-ixC UCU（0） （0）oixCUUC cbICiUiIcxICxoUA 運(yùn)算放大器式電路原理圖 “”號(hào)表示輸出電壓號(hào)表示輸出電壓Uo 的相位與電的相位與電源電壓源電壓反相反相。 如果傳感器是一個(gè)平板電容，則如果傳感器是一個(gè)平板電容，則oiCUUdA oiCUUdA 運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距運(yùn)算放大器的輸

6、出電壓與極板間距離離 d 成成線性線性關(guān)系。關(guān)系。 運(yùn)算放大器式電路的主要優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算放大器式電路的主要優(yōu)點(diǎn)： 解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題。感器的非線性問(wèn)題。 實(shí)現(xiàn)這一功能的前提：實(shí)現(xiàn)這一功能的前提： Zi 足夠大。足夠大。 放大倍數(shù)足夠大。放大倍數(shù)足夠大。 儀器精度的保證：儀器精度的保證： 電源電壓電源電壓 Ui 的幅值穩(wěn)定；的幅值穩(wěn)定； 固定電容固定電容 C 值穩(wěn)定。值穩(wěn)定。 oiCUUdA 5.4.3 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋形交流電橋 圖5-13 二極管雙T形交流電橋 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(

7、a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I e：高頻電源：高頻電源對(duì)稱方波對(duì)稱方波VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管。為特性完全相同的兩只二極管。 固定電阻固定電阻R1=R2=R C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，C1=C2。 當(dāng)當(dāng)e為為正半周正半周時(shí)，二極管時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通

8、、導(dǎo)通、VD2截止，于是電容截止，于是電容C1充電，其等效電充電，其等效電路如圖路如圖5-13（b）所示；）所示； VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 二極管雙T形交流電橋 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 負(fù)半周負(fù)半周時(shí)，時(shí)，C1上的電荷通過(guò)上的電荷通過(guò)R1，RL放電，流過(guò)放電，流過(guò)RL的電流為的電流為I1。 當(dāng)當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD1截截止，則電容止，則電容C2充電。充電。 VD2VD1eC1C2A

9、BR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 二極管雙T形交流電橋 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I 在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過(guò)電阻通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)放電，流過(guò)RL的電流為的電流為I2 。 根據(jù)上面所給的條件，則電流根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平的平均電流為零。均電流為零。 若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0，則，則C1C2, I1I2, 此時(shí)在

10、一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)RL上的平上的平均電流不為零，均電流不為零， 因此產(chǎn)生輸出電壓。因此產(chǎn)生輸出電壓。 輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值：輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值： 1201221( )( )(2)()()ToLLLLLLUI RI tIt dtRTR RRRUfCCRR 122(2)()()LoLLR RRUR Uf CCRR f 為電源頻率。為電源頻率。 當(dāng)當(dāng)RL已知，已知， 2(2)()()LLLR RRRMRR常數(shù) 輸出電壓輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和和C2的差值有關(guān)。的差值有關(guān)。

11、 當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是是電容電容C1和和C2的函數(shù)。的函數(shù)。12()oUUfMCC 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋的特點(diǎn)：形交流電橋的特點(diǎn)： 輸出電壓較高。輸出電壓較高。 f1.3MHz，電源電壓，電源電壓U=46V，電，電容在容在77 pF 變化，可以在變化，可以在1M負(fù)載上負(fù)載上得到得到5 5V的直流輸出電壓。的直流輸出電壓。 電路的靈敏度：電路的靈敏度： 電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。 測(cè)量電路的非線性誤差：測(cè)量電路的非線性誤差： 適當(dāng)提高適當(dāng)提高 U 幅值，使二

12、極管幅值，使二極管VD1、VD2工作在工作在線性區(qū)域線性區(qū)域，可以減小測(cè)量的非，可以減小測(cè)量的非線性誤差。線性誤差。 測(cè)量電路的輸出阻抗：測(cè)量電路的輸出阻抗： 電路的輸出阻抗與電容電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)， 僅與僅與R1、 R2 及及 RL 有關(guān)，有關(guān)， 約為約為1100k。 輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間：輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間： 上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。 對(duì)于對(duì)于1 k的負(fù)載電阻，上升時(shí)間為的負(fù)載電阻，上升時(shí)間為20s左右，左右， 可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)?？捎脕?lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。5.4.4 環(huán)形二極管環(huán)形二極管充放電充放電法法環(huán)形二極管電容測(cè)量電路原理圖

13、AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 輸入方波加在電橋的輸入方波加在電橋的A點(diǎn)和地之間。點(diǎn)和地之間。環(huán)形二極管電容測(cè)量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 在設(shè)計(jì)時(shí)，由于在設(shè)計(jì)時(shí)，由于方波脈沖寬度方波脈沖寬度足以足以使電容器使電容器Cx和和Cd充、放電過(guò)程在方波平充、放電過(guò)程在方波平頂部分結(jié)束。頂部分結(jié)束。 工作原理：工作原理： 高頻方波信號(hào)源，通過(guò)一環(huán)形二極高頻方波信號(hào)源，通過(guò)一環(huán)形二極管電橋，對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電，管電橋，對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電， 環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測(cè)電環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被

14、測(cè)電容成正比的容成正比的微安級(jí)微安級(jí)電流。電流。 電橋?qū)l(fā)生如下的過(guò)程電橋?qū)l(fā)生如下的過(guò)程: 當(dāng)輸入的方波由當(dāng)輸入的方波由E1躍變到躍變到E2時(shí)，時(shí)，電容電容Cx和和Cd兩端的電壓皆由兩端的電壓皆由E1充電到充電到E2。 環(huán)形二極管電容測(cè)量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 對(duì)電容對(duì)電容Cx充電的電流為充電的電流為 i1 所示的方所示的方向，對(duì)向，對(duì) Cd 充電的電流為充電的電流為 i3 所示方向。所示方向。 在充電過(guò)程中在充電過(guò)程中(T1這段時(shí)間這段時(shí)間)，VD2、 VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。一直處于截止?fàn)顟B(tài)。 在在T1這段時(shí)間內(nèi)由這段時(shí)間內(nèi)

15、由A點(diǎn)向點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為電荷量為 q1=Cd(E2E1)。環(huán)形二極管電容測(cè)量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 當(dāng)輸入的方波由當(dāng)輸入的方波由E2返回到返回到E1時(shí)，時(shí)，Cx、Cd放電，它們兩端的電壓由放電，它們兩端的電壓由E2下下降到降到E1。 放電電流所經(jīng)過(guò)的路徑分別為放電電流所經(jīng)過(guò)的路徑分別為i2、 i4所示的方向。所示的方向。環(huán)形二極管電容測(cè)量電路原理圖AVD4VD1VD2VD3BCxi1i2Ai3i4CCCdE1E2T1T2e 在放電過(guò)程中在放電過(guò)程中(T2時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi))，VD1、VD3 截止。截止。 在在T2這段時(shí)間內(nèi)

16、由這段時(shí)間內(nèi)由C點(diǎn)向點(diǎn)向A點(diǎn)流過(guò)的點(diǎn)流過(guò)的電荷量為電荷量為 q2=Cx(E2E1)。 設(shè)方波的頻率設(shè)方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘發(fā)生即每秒鐘發(fā)生的充放電過(guò)程的次數(shù)的充放電過(guò)程的次數(shù))， 則由則由C點(diǎn)流向點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為點(diǎn)的平均電流為I2=Cx f (E2-E1), 而從而從A點(diǎn)流向點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均點(diǎn)的平均電流為電流為I3=Cd f (E2-E1), 流過(guò)此支路的瞬時(shí)電流的平均值為流過(guò)此支路的瞬時(shí)電流的平均值為 2121()()()xdxdIC f EEC f EEf E CC ()xdIfE CC E為方波的幅值，為方波的幅值，E=E2E1。 令令Cx的初始值為的初始值為C0，Cx為

17、為Cx的增的增量，則量，則Cx=C0+Cx, 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Cd=C0 則則 ()xdxIfE CCfEC xIfECI 正比于正比于Cx 。 5.4.5 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)制電路圖 雙 穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā) 器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ#A1A2Ur 脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形 當(dāng)兩個(gè)差動(dòng)電容器不相等時(shí)，由于當(dāng)兩個(gè)差動(dòng)電容器不相等時(shí)，由于充放電時(shí)間常數(shù)變化，此時(shí)充放電時(shí)間常數(shù)變化，此時(shí)uA、uB脈沖脈沖寬度不再相等，一個(gè)周期寬度不再相等，一個(gè)周期(T1+T2)時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi)的平均電壓值不為零。的平均電壓值不為零。 此此 uAB 電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，電壓經(jīng)低

18、通濾波器濾波后，可獲得可獲得 Uo 輸出。輸出。 U1觸發(fā)器輸出觸發(fā)器輸出高電平高電平； T1、T2Cx1、Cx2充電至充電至Ur時(shí)所需時(shí)間。時(shí)所需時(shí)間。 Ur是并比較器的參考電壓。是并比較器的參考電壓。 12112oABTTUUUUTT 脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形 uAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2U1tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1U1tttt(a)(b) 111112222111xrxrUTR CnUUUTR CnUU 12112xxoxxCCUUCC 在變極板距離的情況下在變極板距離的情況下 21112oddUUdd d1

19、、d2分別為分別為Cx1、Cx2極板間距離。極板間距離。 當(dāng)差動(dòng)電容當(dāng)差動(dòng)電容Cx1=Cx2=C0， 即即d1=d2=d0，Uo=0； 若若Cx1Cx2， 設(shè)設(shè)Cx1 Cx2 ，即，即d1=d0d, d2=d0+d, 則有則有10odUUd 同樣，在變面積電容傳感器中，同樣，在變面積電容傳感器中， 1oAUUA 差動(dòng)脈寬調(diào)制電路的適用范圍：差動(dòng)脈寬調(diào)制電路的適用范圍： 適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)式電容傳感器。式電容傳感器。 10odUUd1oAUUA 差動(dòng)脈寬調(diào)制電路的優(yōu)點(diǎn)：差動(dòng)脈寬調(diào)制電路的優(yōu)點(diǎn)： 線性輸出，線性輸出， 轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)換效率高， 經(jīng)過(guò)低通放大

20、器就有較大的直流輸出，經(jīng)過(guò)低通放大器就有較大的直流輸出， 調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有影響。調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有影響。 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 5.5.3 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過(guò)濾器 膜片為膜片為動(dòng)電極動(dòng)電極，兩個(gè)在，兩個(gè)在凹形玻璃上凹形玻璃上的金屬鍍層的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。器。 當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并當(dāng)

21、被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，容量，一個(gè)增大， 一個(gè)減小。一個(gè)減小。 該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。壓的變化。 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固 定 電 極 ；2絕 緣 墊 ；3質(zhì) 量 塊 ；4彈 簧 ；5輸 出 端 ；6殼 體 當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空向作直線加速運(yùn)

22、動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，間中相對(duì)靜止， 兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。移。 此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，一個(gè)增加，一個(gè)減小， 從而使從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)：電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)： 頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 5.5.3 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器 檢測(cè)金屬帶材的厚度。檢測(cè)金屬帶材的厚度。 差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖 音 頻 信 號(hào) 發(fā) 生 器音 頻 放 大 器全 波 整 流 器差 動(dòng) 放 大 器C0C1C2RRCT 在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面