[工學(xué)]第五章電容式傳感器(編輯修改稿)
2025-03-16 07:13 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 節(jié) 電容式傳感器的等效電路 RP為并聯(lián)損耗電阻 ， 它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗 。 這些損耗在低頻時(shí)影響較大 ， 隨著工作頻率增高 ， 容抗減小 ， 其影響就減弱 。 由等效電路可知，等效電路有一個(gè)諧振頻率，通常為幾十兆赫，當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，應(yīng)該選擇低于諧振頻率的工作頻率 ，否則電容傳感器不能正常工作。 RS代表串聯(lián)損耗 ，即引線電阻、電容器支架和極板的電阻。這個(gè)損耗在低頻時(shí)是極小的，隨著頻率的增高，此值增大，但即使在幾兆赫頻率下工作時(shí)，此值仍很小。因此只有在很高的工作頻率時(shí)，才加以考慮。 電感 L 由電容器本身的電感和外部引線電感組成。它與電容器的結(jié)構(gòu)和引線的長(zhǎng)度有關(guān)。 第三節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量電路 與電阻式傳感器采用電橋輸出不同，電容式傳感器有多種轉(zhuǎn)換輸出電路，它借助于各種信號(hào)調(diào)理電路把微小的電容變化轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓、電流或頻率輸出。 一、 橋 式電路 二、雙 T形 電 橋電路 三、調(diào)頻電路 四、脈沖寬度調(diào)制電路 一、橋式電路 電容傳感器包括在電橋內(nèi) ， C1 與 C2 以差動(dòng)形式接入相鄰兩個(gè)橋臂 ， 另兩個(gè)橋臂可以是 電阻 、 電容 或 電感 ， 也可以是變壓器的兩個(gè) 次級(jí)線圈 。 用穩(wěn)頻 、 穩(wěn)幅和固定波形的低阻信號(hào)源去激勵(lì) ， 最后經(jīng)電流放大及相敏整流得到直流輸出信號(hào) 。 右圖中另外兩橋臂為次級(jí)線圈 ，使用元件少 ， 橋路內(nèi)阻小 ， 應(yīng)用較多 。 設(shè)變壓器次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì)為 u/2,電橋后接放大器的輸入阻抗（即電橋的負(fù)載） RL→∞ ，則電橋輸出電壓為： 021210 22 CCUCCCCUUxxxx ?????? ???二、雙 T 形電橋電路 美國(guó)麻省理工學(xué)院教授 1963年提出了二極管雙 T形交流電橋 ， 又稱為二極管 T形網(wǎng)絡(luò) 。 高頻電源可以是對(duì)稱方波或正弦波 。 D D2為特性完全相同的兩只 二 極 管 ， 固 定 電 阻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。 ? 當(dāng)電源為 正半周 時(shí) , 二極管D1導(dǎo)通 、 D2截止 , 電路可以等效為圖 （ b） 。 此時(shí)電容 C1很快被充電至電壓 E， 電源 E經(jīng) R1以電流 I1向負(fù)載 RL供電 ， 與此同時(shí)電容 C2經(jīng) R2和 RL放電電流為 I2， 流過(guò)RL的電流 IL 為 I1和 I2之和； 電路工作原理 ： ? 在隨后電源為負(fù)半周時(shí) ，D2 導(dǎo)通 、 D1截止 ， 電路可以等效為圖 （ c） 。 此時(shí)電容C2很快被充電至電壓 E， 電源 E 經(jīng) R2以電流 I2? 向負(fù)載 RL供電 ， 與此同時(shí)電容 C1經(jīng) R1和 RL放電電流為 I1?， 流過(guò) RL的電流 IL ?為 I1?和 I2?之和 。 若 D D2 的特性相同， R1＝ R2，且C1＝ C2 ，則流過(guò) RL 的電流 IL與 IL?的平均值大小相等，方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò) RL的平均電流為零，RL上無(wú)電壓輸出。 若 C1 或 C2 變化 （ C1 ≠ C2 ） 時(shí) ， 流過(guò) RL 的平均電流不為零 ，因而有信號(hào)輸出 。 輸出電壓 的平均值 為 輸出電壓不僅與電源的頻率 f 和其幅值 E 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 、 C2 的函數(shù)。 ? C1 、 C2 也可只有一個(gè)改變。 ? Ck E fCCEfRRR RRRU ?????? 2)()( )2( 21L2LLo令 )()( )2( L2LL 常數(shù)kRRRRRR ???是線性關(guān)系與 CU ?o 二極管 T形網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) ? 電源、傳感器電容以及輸出電路一端需要共地； ? 工作電平很高，二極管 D1 和 D2 盡量為理想二極管，要求特性完全相 同，均工作在伏－安特性的線性區(qū)； ? 電路靈敏度高，但與電源的幅值和頻率有關(guān)，因此電源需穩(wěn)壓穩(wěn)頻； ? 線路十分簡(jiǎn)單，不需附加相敏解調(diào)器，即能獲得高電平的 直流 輸出； ? 輸出阻抗與 R1 和 R2 同數(shù)量級(jí)，而與電容 C1 和 C2 無(wú)關(guān)，適當(dāng)選擇電阻 值，則輸出電流可用毫安表或微安表直接測(cè)量； ? 負(fù)載電阻 RL 將影響電容放電速度，作動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)應(yīng)取值小一些，如 RL =1k 就可作動(dòng)態(tài)測(cè)量；該網(wǎng)絡(luò)能用于高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)量的測(cè)量； ? 非線性誤差很??； ? 傳感器的頻率響應(yīng)取決于電源的頻率。 三、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，將頻率的變化在鑒頻中變換為振幅的變化，經(jīng)過(guò)放大后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來(lái)。也可以直接通過(guò)計(jì)數(shù)器測(cè)定其頻率值。 (輸入 → ?C → ?f → ?U ) 調(diào)頻（ FM）電路
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