机械电子电路

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-AUUSCIiIxICx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：如果传感器是一只平行板电容，则：代入式得：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+i2R1R2C1C2RL+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可写成电容C1上的平均电流为:故在负载RL上产生的电压为：当RL已知时，为常数，设为K，则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。利用用对对传传感感器器电电容容的的充充放放电电使使电电路路输输出出脉脉冲冲的的宽宽度度随随传传感感器器电电容容量量变变化化而而变变化化。。通通过过低低通通滤滤波波器器得得到到对对应应被被测测量量变变化化的的直直流流信信号号。。C1、C2为差差动动式式传传感感器器的的两两个个电电容容，，若若用用单单组组式式，，则则其其中中一一个个为为固固定定电电容容，，其其电电容容值值与与传传感感器器电电容容初初始始值值相相等等；；A1、A2是两两个个比比较较器器，，Ur为其其参参考考电电压压。。R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A14、、差差动动脉脉宽宽调调制制电电路路tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差动动脉脉冲冲调调宽宽电电路路各各点点电电压压波波形形图图R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A1根据据电电路路知知识识可可知知：：UA、UB—A点点和和B点点的的矩矩形形脉脉冲冲的的直直流流分分量量；；T1、T2—分分别别为为C1和C2的充充电电时时间间；；U1—触触发发器器输输出出的的高高电电位位。。C1、C2的充充电电时时间间T1、T2为：：A、、B两两点点间间的的电电压压经经低低通通滤滤波波器器滤滤波波后后获获得得，，等等于于A、、B两点点电电压压平平均均值值UA与UB之差差，，设R1＝R2＝R，则说明明差差动动脉脉冲冲调调制制电电路路输输出出的的直流流电电压压与与传传感感器器两两电电容容差差值值成成正正比比。。对于于差差动动式式变变极极距距型型电电容容传传感感器器：：对于于差差动动式式变变面面积积型型电电容容传传感感器器来来说说，，设设电电容容器器初初始始有有效效面面积积为为S0，变变化化量量为为ΔΔS，则则滤滤波波器器输输出出为为：：可见见差动动脉脉冲冲调调宽宽电电路路能能适适用用于于任任何何差差动动式式电电容容传传感感器器，，并并具具有有理理论论上上的的线线性性特特性性。该电路路采用直直流电源源，电压压稳定度度高，不不存在稳稳频、波波形纯度度的要求求，也不不需要相相敏检波波与解调调等；对对元件无无线性要要求；经经低通滤滤波器可可输出