机械电子电路7

5.2电容式传感器的测量电路5.2.1电容传感器的等效电路RP（a）CRLC（b）5.2.2测量电路1.电桥电路UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2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。Cr1Cr2U0U（d）变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。Cr1Cr2USC放大振荡器相敏检波滤波器在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施，2.运算放大器电路CxC0-AUUSCIiIxIxixxiiIICjIUCjIU00Cx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：00ixCUUC如果传感器是一只平行板电容，则：代入式得：SCxSCUUi00可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离δ成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。3.二极管双T形电路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE，电容C2的电压初始值为UE，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL的放电电流为i2，流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至电压UE；电源经电阻R2以i1向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1经电阻R1、负载电阻RL放电，流过RL的放电电流为i2。流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流i2如下：在时,电流i2的平均值I2可写成22CRRRRRtexpRRRRRURRRUiLLLLELLE20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLT22TCRRRRRLL电容C1上的平均电流为:1121CURRRRTIELLC故在负载RL上产生的电压为：2122102CCTU)RR(RRRRIIRRRRUELLLLL当RL已知时，为常数，设为K，则2)(2LLLRRRRRR012EUKfUCC输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数。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。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。R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A14、差动脉宽调制电路tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差动脉冲调宽电路各点电压波形图R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A1根据电路知识可知：12121211UTTTUUTTTUBA，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。1111112221lnlnrrUTRCUUUTRCUUC1、C2的充电时间T1、T2为：A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差，12120111121212ABTTTTUUUUUUTTTTTT设R1＝R2＝R，则120112CCUUCC说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。对于差动式变极距型电容传感器：UddU100对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为：USSU100可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，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。5、调频电路L)CCC(fc0102101012cfffCCCCLLCf21cCCCC01振荡回路固有电容传感器电容引线分布电容图3-18调频式测量电路原理框图CxΔf振荡器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鉴频器