檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)：3-1 電容式傳感器

1、11 、調(diào)制解調(diào)的功用與類型(概念)（1）在檢測(cè)系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？）在檢測(cè)系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？ 在檢測(cè)系統(tǒng)中，進(jìn)入檢測(cè)電路的除了傳感器在檢測(cè)系統(tǒng)中，進(jìn)入檢測(cè)電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。而傳感輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是檢測(cè)電路的一項(xiàng)重要任噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是檢測(cè)電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)，往往給測(cè)量信號(hào)賦予一定特征，這就是調(diào)制的主要功用賦予一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。2（

2、2）什么是信號(hào)調(diào)制？）什么是信號(hào)調(diào)制？ 調(diào)制調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱為就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)）去控）去控制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱為制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)載波信號(hào)），讓），讓后者（后者（載波信號(hào)載波信號(hào)）的某一特征參數(shù)按前者（）的某一特征參數(shù)按前者（調(diào)制調(diào)制信號(hào)信號(hào)）變化。）變化。 （3）什么是解調(diào)？）什么是解調(diào)？ 在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取提取反映反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)解調(diào)。3調(diào)制解調(diào)電路的作用：

3、調(diào)制解調(diào)電路的作用：2022-3-14452、調(diào)制的種類、調(diào)制的種類6a) a) 幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM)(AM)( )*( )cos(2)tAtx tyfb) b) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM)(FM)0( )cos()*2 ( )fy tAttxc) c) 相位調(diào)制相位調(diào)制(PM(PM)0( )cos( )*2)y tAftx t2022-3-147（1）幅度調(diào)制）幅度調(diào)制 用被調(diào)制信號(hào)用被調(diào)制信號(hào) 去控制高頻載波信號(hào)去控制高頻載波信號(hào) 的幅值，得到調(diào)幅波的幅值，得到調(diào)幅波 設(shè)載波信號(hào)為：調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式可寫為：調(diào)幅信號(hào)波形 如下 ( )x t( )cu t( )su t( )cos(2)

4、cu tAft( )( )cos(2)su tx tfAt8 先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變?cè)購(gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。信號(hào)。 例：交流電橋例：交流電橋VinVoR1R3R2R4max0cos2UUf tmax0cos2UUf t幅度調(diào)制實(shí)例9 應(yīng)變電阻的電阻變化量和被測(cè)外力引起的應(yīng)變應(yīng)變電阻的電阻變化量和被測(cè)外力引起的應(yīng)變 之間之間的關(guān)系為：的關(guān)系為：式中，式中，S：應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；：應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)； R：應(yīng)變片初

5、始電阻值。：應(yīng)變片初始電阻值。所以有：所以有： 上式表明，載波信號(hào)上式表明，載波信號(hào) 經(jīng)電橋調(diào)幅后，輸出的信號(hào)經(jīng)電橋調(diào)幅后，輸出的信號(hào) 幅值為幅值為 ，即余弦載波信號(hào)的幅值被應(yīng)變，即余弦載波信號(hào)的幅值被應(yīng)變 所所調(diào)制。而且隨著調(diào)制信號(hào)調(diào)制。而且隨著調(diào)制信號(hào) 正負(fù)半周的改變，調(diào)幅波的正負(fù)半周的改變，調(diào)幅波的相位也隨著改變：當(dāng)調(diào)制信號(hào)相位也隨著改變：當(dāng)調(diào)制信號(hào) 為正時(shí)，調(diào)幅波與載波為正時(shí)，調(diào)幅波與載波同相；當(dāng)同相；當(dāng) 為負(fù)時(shí)，調(diào)幅波與載波反相。為負(fù)時(shí)，調(diào)幅波與載波反相。 ( ) t( )RStRmax0.25( )SUt( ) t( ) t( ) t( ) t0max01( )cos24USUtf

6、 t&U&0U&10載波信號(hào)：載波信號(hào)：由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成。脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路：（2）脈沖寬度調(diào)制）脈沖寬度調(diào)制調(diào)制電路調(diào)制電路開關(guān)（相乘）調(diào)制電路開關(guān)（相乘）調(diào)制電路uxuoUcT2T1Uc uotO Uc OttO ux00011021021)(,)(,xcxxcUUTTUUUUTTU導(dǎo)通，截止，截止，導(dǎo)通，相加型調(diào)幅電路相加型調(diào)幅電路 為了提高調(diào)制線性，電路要求為了提高調(diào)制線性，電路要求UcmUxm,這時(shí)二極管這時(shí)二極管D1和和D2受受uc控制，工作在開關(guān)狀態(tài)?？刂?，工作在開關(guān)狀態(tài)。 i l(uc+ux)K(

7、ct )r i2(uc-ux) K(ct ) r 式中式中 r為二極管的內(nèi)阻與負(fù)載為二極管的內(nèi)阻與負(fù)載RL折合到原邊的等效電阻之和。折合到原邊的等效電阻之和。 K(ct )為歸一化的方波信號(hào)展開系數(shù)。為歸一化的方波信號(hào)展開系數(shù)。T1+ ux -+ ux -+ uc - -VD1i1VD2i2載波信號(hào)載波信號(hào)T3T2RLi3+uo_RP調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 由上兩式得由上兩式得ttrUnttrUntrUntttrUnrtKuniinicxmcxmxmccxmcx334433222122333332133coscoscoscoscos)coscos(cos/ )()(式中式中n3為變壓器的變比。為變壓

8、器的變比。 （3）頻率調(diào)制）頻率調(diào)制-測(cè)量中常用的調(diào)頻方法測(cè)量中常用的調(diào)頻方法 1）直接調(diào)頻：被測(cè)參量變化直接引起傳感器）直接調(diào)頻：被測(cè)參量變化直接引起傳感器輸出信號(hào)頻率的變化，如振弦式傳感器；輸出信號(hào)頻率的變化，如振弦式傳感器； 2）參數(shù)調(diào)頻：將傳感器線圈、電容或電阻接）參數(shù)調(diào)頻：將傳感器線圈、電容或電阻接在一定震蕩回路中，這樣被測(cè)參數(shù)變化就會(huì)引在一定震蕩回路中，這樣被測(cè)參數(shù)變化就會(huì)引起振蕩器頻率的變化，輸出調(diào)頻信號(hào)；起振蕩器頻率的變化，輸出調(diào)頻信號(hào)； 3）電壓調(diào)頻：用電壓控制振蕩回路的參數(shù)）電壓調(diào)頻：用電壓控制振蕩回路的參數(shù)R、L、C。2022-3-14153 3、 解調(diào)原理解調(diào)原理解調(diào)器

9、不僅解調(diào)器不僅能將交流輸能將交流輸入電壓變成入電壓變成與其幅值成與其幅值成正比的直流正比的直流電壓信號(hào)，電壓信號(hào)，而且還能反而且還能反映交流輸入映交流輸入電壓的相位電壓的相位變化。變化。 2022-3-1416a). a). 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波 只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)，這種方法稱為包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波。 基于整流原理。4 4、 解調(diào)方法解調(diào)方法- -包絡(luò)檢波和相敏檢波包絡(luò)檢波和相敏檢波基本電路基本電路二極管與三極管包絡(luò)檢波二極管與三極管包絡(luò)檢波C1VDRLC2Ti+us_+uo_非線性非線性 器件器件 低通低通濾波器濾波器C1(a) 二極管檢波電路二極管檢波電路VRLC2Tic+us

10、_+_非線性非線性 器件器件 低通低通濾波器濾波器uoEc(b) 晶體管檢波電路晶體管檢波電路 圖圖 包絡(luò)檢波電路包絡(luò)檢波電路 圖圖(a)采用二極管作為整流用非線性元件，圖采用二極管作為整流用非線性元件，圖(b)采用晶體管。采用晶體管。為了獲得調(diào)制信號(hào)，還要用濾波器濾除載波分量。為了獲得調(diào)制信號(hào)，還要用濾波器濾除載波分量。2022-3-1418b). 相敏檢波相敏檢波 包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題：包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題： 一是無(wú)法鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。一是無(wú)法鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。 二是不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的二是不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力。能力。 相敏檢波電路是具有相敏檢波電路是具有鑒相和選頻

11、鑒相和選頻能力的能力的檢波電路。檢波電路。相敏檢波輸出波形圖相敏檢波輸出波形圖tuoOuoOtucOtusOtuxOt相敏檢波電路輸出波形相敏檢波電路輸出波形雙邊帶調(diào)幅雙邊帶調(diào)幅半波相敏檢波半波相敏檢波全波相敏檢波全波相敏檢波載波信號(hào)載波信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)相敏檢波電路的選頻與鑒相特性相敏檢波電路的選頻與鑒相特性 1. 相敏檢波電路的選頻（鑒頻）相敏檢波電路的選頻（鑒頻） 方法：微分鑒頻、斜率鑒頻、相位鑒頻。方法：微分鑒頻、斜率鑒頻、相位鑒頻。 2. 相敏檢波電路的鑒相相敏檢波電路的鑒相 什么是相敏檢波電路的鑒相特性？什么是相敏檢波電路的鑒相特性？ 如果輸入信號(hào)如果輸入信號(hào)us為與參考信號(hào)為與

12、參考信號(hào)uc(或或Uc)同頻同頻信 號(hào) ， 但 有 一 定 相 位 差 ， 這 時(shí) 輸 出 電 壓信 號(hào) ， 但 有 一 定 相 位 差 ， 這 時(shí) 輸 出 電 壓uo=Usmcos，即輸出信號(hào)隨相位差，即輸出信號(hào)隨相位差的余弦而變的余弦而變化?；?。 由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻但有一定由于在輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻但有一定相位差時(shí)，輸出信號(hào)的大小與相位差有確定的函相位差時(shí)，輸出信號(hào)的大小與相位差有確定的函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定相位差的數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)輸出信號(hào)的大小確定相位差的值，相敏檢波電路的這一特性稱為值，相敏檢波電路的這一特性稱為鑒相特性。鑒相特性。 5、解調(diào)電路-相敏檢波電路

13、v當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí),G,G截止，截止，N1N1的放大倍數(shù)為：的放大倍數(shù)為： v當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，G G導(dǎo)通，導(dǎo)通，N1N1的放大倍數(shù)為：的放大倍數(shù)為： 13511.730WVRAR 13411WWVRRARR ( )0u t ( )0u t 假如柵極沒(méi)有被連上假如柵極沒(méi)有被連上的話，的話，N溝道就像一溝道就像一個(gè)個(gè)電阻電阻一樣。也就是一樣。也就是說(shuō)在柵極沒(méi)有電壓的說(shuō)在柵極沒(méi)有電壓的情況下結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管情況下結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是是導(dǎo)電導(dǎo)電的。假如柵極的。假如柵極與源極連在一起，而與源極連在一起，而源極和漏極之間加上源極和漏極之間加上了了UDS的的電壓電壓的話那的話那么流過(guò)溝道的電流隨么流過(guò)溝道的電流隨電壓不斷提高

14、，直到電壓不斷提高，直到溝道被最大夾斷位置。溝道被最大夾斷位置。 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式壓力電容式壓力變送器變送器電容式差壓傳感器電容式差壓傳感器各種電容式傳感器各種電容式傳感器硅微壓力硅微壓力電容式傳感器電容式傳感器 電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示控制中的使用演示電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器1-汽油 2-變介質(zhì)型電容式傳感器 3-交流伺服電機(jī) 4-減速器 5-儀表盤圖 汽車油箱油量計(jì)原理示意圖 右圖是一種變極板間介質(zhì)的右圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。的結(jié)構(gòu)原理圖。 設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1, 液面高度為液面高度為h, 變換器總高度為變換器總高度為H, 內(nèi)筒外