电容传感器的测量电路

电容式传感器的测量电路一、调频电路这种测量电路是把电容式传感器与一个电感元件配合成一个振荡器谐振电路。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化。再通过监频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。图3.10就是调频-鉴频电路原理图。调频振荡器的振荡频率由下式决定式中，L为振荡回路电感；C为振荡回路总电容。LC21f振荡回路的总电容一般包括传感器C0±△C，谐振回路中的固定电容C1和传感器电缆分布电容C2。以变间隙式电容器为例，如果没有被测信号，则△d≠0，则△C≠0，这时C=C1+C0+C2，所以振荡器的频率为)CCL(C21f2010f0一般应选在此MHz以上。当传感工作时，△d≠0，则△C≠0，振荡频率也相应改变△f，则有C)CCL(C21ff2010运算放大器式测量电路+-uiu0CiCx二、运算放大器式测量电路以代入上式，则有可以看出，输出电压与动极片机械位移d成线性关系。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为xii0CCUUdAC0xdACUU0ii0三、二极管双T形电路供电电压是幅值为±Ui、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效为典型的一阶电路，如图(b)。其中二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极其短的时间充电，电容C2通过R2、RL放电。(b)ＵｏR2R1RLC2C1D1D2iC1iC2++－＋±Ui(a)C2C1UERLR1R2++iC1iC2当电源为负半周时，其中二极管D2导通、D1截止，电容C2被以极其短的时间充电，电容C1通过R1、RL放电。电路等效为图(b)。(b)ＵｏR2R1RLC2C1D1D2iC1iC2++－＋±Ui(a)UEC1C2RLRR++i’C1i’C212如果二极管具有相同的特性，且令C1=C2，R1=R2=R，则正半周和负半周流过负载的电流大小相等，方向相反，即一个周期内流过负载的平均电流为零。如果C1≠C2,输出电压的平均值为2120)(2CCfURRRRRRUiLLL其f中为电源频率。输出电压不仅与电源的频率和幅值有关，而且与电容的差值有关。电路特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。四、差动脉冲调宽电路又称脉冲宽度调制电路，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。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D1D2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路GtuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA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。rUUUCRT11111lnrUUUCRT11222ln设R1＝R2＝R，则121210UCCCCU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A1、A2，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。112210121120UAAAAUUddddU；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、电桥电路将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另外桥臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。特点：①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。