傳感器與檢測(cè)技術(shù)---第5章電容式傳感器(編輯修改稿)
2024-11-14 11:16 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ??????dddddd? （ 5 26） 比較式 （ 5 16） 與式 （ 5 25） 及式 （ 5 18） 與式（ 5 26） 可見 ， 電容傳感器做成差動(dòng)式之后 , 靈敏度提高一倍 ， 而且非線性誤差大大降低了 。 第 5章 電容傳感器 注： 由上分析可知， C = f(d) ＝ εA/d 是非線性的，但電容器的容抗 Xc為 AωεdCωX c ??1CX c ?1?即 此式說(shuō)明，若電容傳感器的輸出為容抗，則容抗 Xc與d仍成線性關(guān)系。 第 5章 電容傳感器 電容式傳感器的測(cè)量電路 由于電容式傳感器的電容變化值都十分微小 , 必須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容增量 , 并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓 、 電流或者頻率 。 常用的電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路 、 運(yùn)算放大器式電路 、 二極管雙 T型交流電橋 、 脈沖寬度調(diào)制電路 等 。 一 、 調(diào)頻測(cè)量電路 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 。 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 。 調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如下圖 5 9 所示 。 第 5章 電容傳感器 調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為 LCf ?21?式中： L——振蕩回路的電感： C——振蕩回路的總電容； 其中 ， C=C1+C2+Cx。 C1為振蕩回路固有電容； C2為傳感器引線分布電容； Cx為傳感器的電容 。 C1 C2 第 5章 電容傳感器 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為 0 時(shí) ， 即 Cx≠C0, 振蕩器頻率有相應(yīng)變化 , 此時(shí)頻率為 LCCCf)210210 ??? ? 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為 0時(shí)，即 Cx =C0，則 C =C1+C2+C0，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率 f0, (5 28) ffLCCCfx??????? 021 )(21即電容的變化必將引起振蕩頻率的變化 第 5章 電容傳感器 調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度 , 可以測(cè)量高至 。 頻率輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊 , 抗干擾能力強(qiáng) , 可以發(fā)送 、 接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控 。 二 、 運(yùn)算放大器式電路 運(yùn)算放大器的放大倍數(shù) K非常大 , 而且輸入阻抗 Zi很高 。運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路 。 圖 5 10 是運(yùn)算放大器式電路原理圖 。 其中： Cx 為電容式傳感器； C為一固定電容 。 第 5章 電容傳感器 如果傳感器是一只平板電容 ， 則 Cx =εA/d， 代入式 (5 30)， 有 dACUU i ??? ??0 式中 “ ”號(hào)表示輸出電壓 的相位與電源電壓 反相 。 式 （ 5 31） 說(shuō)明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離 d 呈線性關(guān)系 。 0U? iU?由運(yùn)算放大器工作原理可得： ixiCCx UCCUZZU ??? ????0(5 30) （ 5 – 31） 第 5章 電容傳感器 三 、 二極管雙 T型交流電橋 圖 5 11 所示 是二極管雙 T型交流電橋電路原理圖 。 其中 e是高頻電源 , 它提供幅值為 E的對(duì)稱方波 , 且 R1=R2= R， C C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容 。 當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí) , C1 = C2。 電路工作原理如下： 當(dāng) e為正半周時(shí) , 二極管 VD1導(dǎo)通 、 VD2截止 , 于是電容 C1充電 ， C2放電 。 其等效電路 如圖 5－ 11(b)所示 。 當(dāng) e為負(fù)半周時(shí) , VD2導(dǎo)通 、 VD1截止 , 則電容 C2充電 。 C1放電 。 其等效電路 如圖 5－ 11(c)所示 。 根據(jù)所給條件 , 則電流 I1 =I2, 且方向相反 , 故在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò) RL的平均電流為零 。 第 5章 電容傳感器 若傳感器輸入不為 0, 則 C1 ≠ C2, 那么 I1≠I2, 此時(shí) RL上必定有信號(hào)輸出 , 其輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為 LTLL RdttItITRIU ???? ? )]()([120 10)()( )2( 212 CCEfRRR RRR LLL ???? 式中 f 為電源頻率 。 當(dāng) RL已知時(shí) ， 令 （ 5 32） 常數(shù)）.(c o n s tR)RR( )RR(RM LLL ????22則 )(210 CCE f MU ??（ 5 33） 第 5章 電容傳感器 從式 （ 5 33） 可知 , 輸出電壓 U0不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān) , 而且與 T型網(wǎng)絡(luò)中的電容 C1和 C2的差值有關(guān) 。 當(dāng)電源電壓和頻率確定后 , 輸出電壓 U0是電容 C1和 C2的函數(shù) 。 該電路輸出電壓較高 , 當(dāng)電源頻率為 , 電源電壓 E= 46V時(shí) , 電容從 7～ +7pF變化 , 可以在 1MΩ負(fù)載上得到 5～ +5
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