電容式傳感器的測量電路管理分析課件

5.2

電容式傳感器的測量電路5.2.1電容傳感器的等效電路RP（a）CRLC（b）5.2電容式傳感器的測量電路5.2.1電容傳感器的等5.2.2測量電路1.電橋電路UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr25.2.2測量電路1.電橋電路UCr1C（a）R另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。Cr1Cr2U0U（d）變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生Cr1Cr2USC放大振蕩器相敏檢波濾波器在要求精度很高的場合，可采用自動平衡電橋；傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，Cr1Cr2USC放大振蕩器相敏濾波器在要求精度很高的場合，2.運算放大器電路CxC0-AUUSCIiIxICx為傳感器，C0為固定電容。當(dāng)運算放大器輸入阻抗很高、增益很大時，可認(rèn)為運算放大器輸入電流為零，根據(jù)克?；舴蚨桑校?.運算放大器電路CxC0-AUUSCIiIxICx為如果傳感器是一只平行板電容，則：代入式得：可見運算放大器的輸出電壓與動極板的板間距離δ成正比。運算放大器電路解決了單個變極距型電容傳感器的非線性問題。上式是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。如果傳感器是一只平行板電容，則：代入式得：可見運算放大器的輸3.二極管雙T形電路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時間充電至UE，電容C2的電壓初始值為UE，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過RL的放電電流為i2，流過RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++3.二極管雙T形電路(a)C2C1UERLR1R2i1i(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1向負(fù)載電阻RL供電，與此同時，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過RL的放電電流為i2。流過RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時，二根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流i2如下：在時,電流i2的平均值I2可寫成根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流i電容C1上的平均電流為:故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)RL已知時，為常數(shù)，設(shè)為K，則輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)。電容C1上的平均電流為:故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)R利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A14、差動脈寬調(diào)制電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A1tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1根據(jù)電路知識可知：UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為：根據(jù)電路知識可知：UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分A、B兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點電壓平均值UA與UB之差，設(shè)R1＝R2＝R，則

說明差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。

A、B兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點電壓對于差動式變極距型電容傳感器：對于差動式變面積型電容傳感器來說，設(shè)電容器初始有效面積為S0，變化量為ΔS，則濾波器輸出為：對于差動式變極距型電容傳感器：對于差動式變面積型電容傳感器來可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論5、調(diào)頻電路振蕩回路固有電容傳感器電容引線分布電容圖3-18調(diào)頻式測量電路原理框圖CxΔf振蕩器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鑒頻器5、調(diào)頻電路振蕩回路固有電容傳感器電容引線分布電容圖3-185.2

電容式傳感器的測量電路5.2.1電容傳感器的等效電路RP（a）CRLC（b）5.2電容式傳感器的測量電路5.2.1電容傳感器的等5.2.2測量電路1.電橋電路UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr25.2.2測量電路1.電橋電路UCr1C（a）R另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。Cr1Cr2U0U（d）變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生Cr1Cr2USC放大振蕩器相敏檢波濾波器在要求精度很高的場合，可采用自動平衡電橋；傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高，輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號放大后才能測量。由于電橋輸出電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施，Cr1Cr2USC放大振蕩器相敏濾波器在要求精度很高的場合，2.運算放大器電路CxC0-AUUSCIiIxICx為傳感器，C0為固定電容。當(dāng)運算放大器輸入阻抗很高、增益很大時，可認(rèn)為運算放大器輸入電流為零，根據(jù)克希霍夫定律，有：2.運算放大器電路CxC0-AUUSCIiIxICx為如果傳感器是一只平行板電容，則：代入式得：可見運算放大器的輸出電壓與動極板的板間距離δ成正比。運算放大器電路解決了單個變極距型電容傳感器的非線性問題。上式是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。如果傳感器是一只平行板電容，則：代入式得：可見運算放大器的輸3.二極管雙T形電路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時間充電至UE，電容C2的電壓初始值為UE，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過RL的放電電流為i2，流過RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++3.二極管雙T形電路(a)C2C1UERLR1R2i1i(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1向負(fù)載電阻RL供電，與此同時，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過RL的放電電流為i2。流過RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時，二根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流i2如下：在時,電流i2的平均值I2可寫成根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流i電容C1上的平均電流為:故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)RL已知時，為常數(shù)，設(shè)為K，則輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)。電容C1上的平均電流為:故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)R利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。C1、C2為差動式傳感器的兩個電容，若用單組式，則其中一個為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個比較器，Ur為其參考電壓。R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A14、差動脈寬調(diào)制電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A2A1tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1根據(jù)電路知識可知：UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2