第5章 電容式2測量電路

1、再見 5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 5.4.1 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 5.4.2 運算放大器式電路運算放大器式電路 5.4.3 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋形交流電橋 5.4.4 環(huán)形二極管充放電法環(huán)形二極管充放電法 5.4.5 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 5.4.1 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻式測量電路原理框圖 鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器 C x L C x 電 容 變 換 器 f u f u 調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為 振蕩器諧振回路的一部分振蕩器諧振回路的一部分,

2、 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時， 振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 可以直接使用可以直接使用頻率計頻率計測量振蕩器的測量振蕩器的 輸出頻率，從而判斷被測非電量的大小。輸出頻率，從而判斷被測非電量的大小。 但此時但此時系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)是非線性的，的，不易校正。不易校正。 加入加入鑒頻器鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為 電壓振幅電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀的變化，經(jīng)過放大就可以用儀 器指示或記錄儀記錄下來。器指示或記錄儀記錄下來。 調(diào)頻式測量電路原理框圖 鑒 頻 器限 幅 放 大 器振 蕩 器 C x L C x 電 容 變

3、 換 器 f u f u 1 2 f LC L振蕩回路的電感；振蕩回路的電感； C振蕩回路的總電容，振蕩回路的總電容， C=C1+C2+Cx C1為振蕩回路的固有電容為振蕩回路的固有電容, C2為傳感器引線的分布電容為傳感器引線的分布電容, Cx=C0C為傳感器的電容。為傳感器的電容。 當(dāng)被測信號為當(dāng)被測信號為 0 時，時，C=0， 則則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個固，所以振蕩器有一個固 有頻率有頻率f0 , 0 120 1 2() f CCCL 當(dāng)被測信號不為當(dāng)被測信號不為0時，時，C0， 振振 蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時頻率為蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時頻率為 0 120 1 2()

4、fff CCCC L 調(diào)頻電容傳感器測量電路的優(yōu)點：調(diào)頻電容傳感器測量電路的優(yōu)點： 具有較高的靈敏度，具有較高的靈敏度， 可以測量可以測量0.01m的位移變化量。的位移變化量。 信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測 量，并與計算機通訊，量，并與計算機通訊， 抗干擾能力強，可以發(fā)送、抗干擾能力強，可以發(fā)送、 接收，接收， 以達(dá)到遙測遙控的目的。以達(dá)到遙測遙控的目的。 5.4.2 運算放大器式電路運算放大器式電路 運算放大器的放大倍數(shù)非常大，運算放大器的放大倍數(shù)非常大， 輸入阻抗輸入阻抗 Zi 很高。很高。 電容式傳感器使用運算放大器，可電容式傳感器使用運算放大器，可 以設(shè)

5、計出比較理想的測量電路。以設(shè)計出比較理想的測量電路。 cb I C i U i I cx I C x o U A 運算放大器式電路原理圖 Cx 為電容式傳感器電容；為電容式傳感器電容； Ui 是交流電源電壓是交流電源電壓; Uo 是輸出信號電壓是輸出信號電壓; 是虛地點。是虛地點。 cb I C i U i I cx I C x o U A 運算放大器式電路原理圖 由運算放大器工作原理可得由運算放大器工作原理可得 o -=- ix C UCU （0）（ 0） oi x C UU C cb I C i U i I cx I C x o U A 運算放大器式電路原理圖 “”號表示輸出電壓號表示輸出

6、電壓Uo 的相位與電的相位與電 源電壓源電壓反相反相。 如果傳感器是一個平板電容，則如果傳感器是一個平板電容，則 oi C UUd A oi C UUd A 運算放大器的輸出電壓與極板間距運算放大器的輸出電壓與極板間距 離離 d 成成線性線性關(guān)系。關(guān)系。 運算放大器式電路的主要優(yōu)點：運算放大器式電路的主要優(yōu)點： 解決了單個變極板間距離式電容傳解決了單個變極板間距離式電容傳 感器的非線性問題。感器的非線性問題。 實現(xiàn)這一功能的前提：實現(xiàn)這一功能的前提： Zi 足夠大。足夠大。 放大倍數(shù)足夠大。放大倍數(shù)足夠大。 儀器精度的保證：儀器精度的保證： 電源電壓電源電壓 Ui 的幅值穩(wěn)定；的幅值穩(wěn)定； 固

7、定電容固定電容 C 值穩(wěn)定。值穩(wěn)定。 oi C UUd A 5.4.3 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋形交流電橋 圖5-13 二極管雙T形交流電橋 VD2 VD1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (b)(c) C1C2U R1 RL R2 C1C2 1 I 2 I V D2 V D1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (b)(c) C1C2U R1 RL R2 C1C2 1 I 2 I e：高頻電源：高頻電源對稱方波對稱方波 VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管。為特性完全相同的兩只二極管。 固

8、定電阻固定電阻R1=R2=R C1、C2為傳感器的兩個差動電容。為傳感器的兩個差動電容。 V D2 V D1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (b)(c) C1C2U R1 RL R2 C1C2 1 I 2 I 當(dāng)傳感器沒有輸入時，當(dāng)傳感器沒有輸入時，C1=C2。 當(dāng)當(dāng)e為為正半周正半周時，二極管時，二極管VD1導(dǎo)通、導(dǎo)通、 VD2截止，于是電容截止，于是電容C1充電，其等效電充電，其等效電 路如圖路如圖5-13（b）所示；）所示； VD2 VD1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (b)(c) C1

9、C2U R1 RL R2 C1C2 1 I 2 I 二極管雙T形交流電橋 VD2 VD1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (b)(c) C1C2U R1 RL R2 C1C2 1 I 2 I 負(fù)半周負(fù)半周時，時，C1上的電荷通過上的電荷通過R1，RL 放電，流過放電，流過RL的電流為的電流為I1。 當(dāng)當(dāng)e為負(fù)半周時，為負(fù)半周時，VD2導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD1截截 止，則電容止，則電容C2充電。充電。 VD2 VD1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (b)(c) C1C2U R1 RL R2 C1C2 1

10、I 2 I 二極管雙T形交流電橋 VD2 VD1 e C1C2 A B R2 R1 RL U R2 RL R1 I1I2 (a) (b)(c) C1C2U R1 RL R2 C1C2 1 I 2 I 在隨后出現(xiàn)正半周時，在隨后出現(xiàn)正半周時，C2通過電阻通過電阻R2， 負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL放電，流過放電，流過RL的電流為的電流為I2 。 根據(jù)上面所給的條件，則電流根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2， 且方向相反，在一個周期內(nèi)流過且方向相反，在一個周期內(nèi)流過RL的平的平 均電流為零。均電流為零。 若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0，則，則C 1C2, I1I2, 此時在一個周期內(nèi)通過此時在一個周

11、期內(nèi)通過RL上的平上的平 均電流不為零，均電流不為零， 因此產(chǎn)生輸出電壓。因此產(chǎn)生輸出電壓。 輸出電壓在一個周期內(nèi)的平均值：輸出電壓在一個周期內(nèi)的平均值： 12 0 12 2 1 ( )( ) (2) () () T oLLL L L L UI RI tIt dtR T R RR RUfCC RR 12 2 (2) () () L oL L R RR UR Uf CC RR f 為電源頻率。為電源頻率。 當(dāng)當(dāng)RL已知，已知， 2 (2) () () L L L R RR RM RR 常數(shù) 輸出電壓輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和不僅與電源電壓幅值和 頻率有關(guān)，而且與頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的

12、電容形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1 和和C2的差值有關(guān)。的差值有關(guān)。 當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是是 電容電容C1和和C2的函數(shù)。的函數(shù)。 12 () o UUfMCC 二極管雙二極管雙 T 形交流電橋的特點：形交流電橋的特點： 輸出電壓較高。輸出電壓較高。 f1.3MHz，電源電壓，電源電壓U=46V，電，電 容在容在77 pF 變化，可以在變化，可以在1M負(fù)載上負(fù)載上 得到得到5 5V的直流輸出電壓。的直流輸出電壓。 電路的靈敏度：電路的靈敏度： 電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻 率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。 測量電

13、路的非線性誤差：測量電路的非線性誤差： 適當(dāng)提高適當(dāng)提高 U 幅值，使二極管幅值，使二極管VD1、 VD2工作在工作在線性區(qū)域線性區(qū)域，可以減小測量的非，可以減小測量的非 線性誤差。線性誤差。 測量電路的輸出阻抗：測量電路的輸出阻抗： 電路的輸出阻抗與電容電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關(guān)，無關(guān)， 僅與僅與R1、 R2 及及 RL 有關(guān)，有關(guān)， 約為約為1100k。 輸出信號的上升沿時間：輸出信號的上升沿時間： 上升沿時間取決于負(fù)載電阻。上升沿時間取決于負(fù)載電阻。 對于對于1 k的負(fù)載電阻，上升時間為的負(fù)載電阻，上升時間為 20s左右，左右， 可用來測量高速的機械運動?？捎脕頊y量高速的機械運動

14、。 5.4.4 環(huán)形二極管環(huán)形二極管充放電充放電法法 環(huán)形二極管電容測量電路原理圖 A V D4 VD1 V D2 VD3 B Cx i1 i2 A i3 i4 C C Cd E1 E2 T1T2 e 輸入方波加在電橋的輸入方波加在電橋的A點和地之間。點和地之間。 環(huán)形二極管電容測量電路原理圖 A V D4 VD1 V D2 VD3 B Cx i1 i2 A i3 i4 C C Cd E1 E2 T1T2 e 在設(shè)計時，由于在設(shè)計時，由于方波脈沖寬度方波脈沖寬度足以足以 使電容器使電容器Cx和和Cd充、放電過程在方波平充、放電過程在方波平 頂部分結(jié)束。頂部分結(jié)束。 工作原理：工作原理： 高頻方

15、波信號源，通過一環(huán)形二極高頻方波信號源，通過一環(huán)形二極 管電橋，對被測電容進(jìn)行充放電，管電橋，對被測電容進(jìn)行充放電， 環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電 容成正比的容成正比的微安級微安級電流。電流。 電橋?qū)l(fā)生如下的過程電橋?qū)l(fā)生如下的過程: 當(dāng)輸入的方波由當(dāng)輸入的方波由E1躍變到躍變到E2時，時， 電容電容Cx和和Cd兩端的電壓皆由兩端的電壓皆由E1充電到充電到 E2。 環(huán)形二極管電容測量電路原理圖 A V D4 VD1 V D2 VD3 B Cx i1 i2 A i3 i4 C C Cd E1 E2 T1T2 e 對電容對電容Cx充電的電流為充電的電流為 i1 所

16、示的方所示的方 向，對向，對 Cd 充電的電流為充電的電流為 i3 所示方向。所示方向。 在充電過程中在充電過程中(T1這段時間這段時間)，VD2、 VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)。一直處于截止?fàn)顟B(tài)。 在在T1這段時間內(nèi)由這段時間內(nèi)由A點向點向C點流動的點流動的 電荷量為電荷量為 q1=Cd(E2E1)。 環(huán)形二極管電容測量電路原理圖 A V D4 VD1 V D2 VD3 B Cx i1 i2 A i3 i4 C C Cd E1 E2 T1T2 e 當(dāng)輸入的方波由當(dāng)輸入的方波由E2返回到返回到E1時，時， Cx、Cd放電，它們兩端的電壓由放電，它們兩端的電壓由E2下下 降到降到E1。 放電電流所經(jīng)過

17、的路徑分別為放電電流所經(jīng)過的路徑分別為i2、 i4所示的方向。所示的方向。 環(huán)形二極管電容測量電路原理圖 A V D4 VD1 V D2 VD3 B Cx i1 i2 A i3 i4 C C Cd E1 E2 T1T2 e 在放電過程中在放電過程中(T 2時間內(nèi) 時間內(nèi))，V D1、 、 VD3 截止。截止。 在在T2這段時間內(nèi)由這段時間內(nèi)由C點向點向A點流過的點流過的 電荷量為電荷量為 q2=Cx(E2E1)。 設(shè)方波的頻率設(shè)方波的頻率f=1/T0(即每秒鐘發(fā)生即每秒鐘發(fā)生 的充放電過程的次數(shù)的充放電過程的次數(shù))， 則由則由C點流向點流向A點的平均電流為點的平均電流為 I2=Cx f (E2

18、-E1), 而從而從A點流向點流向C點的平均點的平均 電流為電流為I3=Cd f (E2-E1), 流過此支路的瞬時電流的平均值為流過此支路的瞬時電流的平均值為 2121 ()() () xd xd IC f EEC f EE f E CC () xd IfE CC E為方波的幅值，為方波的幅值，E=E2E1。 令令Cx的初始值為的初始值為C0，Cx為為Cx的增的增 量，則量，則Cx=C0+Cx, 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Cd=C0 則則 () xdx IfE CCfEC x IfEC I 正比于正比于Cx 。 5.4.5 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)制電路圖 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 V D1

19、 V D2 R 1 R 2 A uAB F G C x1 C x2 B Q Q # # A1 A2 U r 脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形 當(dāng)兩個差動電容器不相等時，由于當(dāng)兩個差動電容器不相等時，由于 充放電時間常數(shù)變化，此時充放電時間常數(shù)變化，此時uA、uB脈沖脈沖 寬度不再相等，一個周期寬度不再相等，一個周期(T1+T2)時間內(nèi)時間內(nèi) 的平均電壓值不為零。的平均電壓值不為零。 此此 uAB 電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，電壓經(jīng)低通濾波器濾波后， 可獲得可獲得 Uo 輸出。輸出。 U1觸發(fā)器輸出觸發(fā)器輸出高電平高電平； T1、T2Cx1、Cx2充電至充電至Ur時所需時間。時所需時間。 Ur是并比較器的參

20、考電壓。是并比較器的參考電壓。 12 1 12 oAB TT UUUU TT 脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形 uA U1 o uB U1 o uAB o u F o Ur T1 U1 uG Ur o T2 U1 t t t t t uA U1 o t u B U1 o uAB Uo o u F Ur o uG Ur o T2 T1 U 1 t t t t (a)(b) 1 111 1 2 222 1 1 1 x r x r U TR Cn UU U TR Cn UU 12 1 12 xx o xx CC UU CC 在變極板距離的情況下在變極板距離的情況下 21 1 12 o dd UU dd d1

21、、d2分別為分別為Cx1、Cx2極板間距離。極板間距離。 當(dāng)差動電容當(dāng)差動電容Cx1=Cx2=C0， 即即d1=d2=d0，Uo=0； 若若Cx1Cx2， 設(shè)設(shè)Cx1 Cx2 ，即，即d1=d0 d, d2=d0+d, 則有則有 1 0 o d UU d 同樣，在變面積電容傳感器中，同樣，在變面積電容傳感器中， 1o A UU A 差動脈寬調(diào)制電路的適用范圍：差動脈寬調(diào)制電路的適用范圍： 適用于變極板距離以及變面積差動適用于變極板距離以及變面積差動 式電容傳感器。式電容傳感器。 1 0 o d UU d 1o A UU A 差動脈寬調(diào)制電路的優(yōu)點：差動脈寬調(diào)制電路的優(yōu)點： 線性輸出，線性輸出，

22、 轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)換效率高， 經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出， 調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 5.5.3 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 外殼 p1p2 金屬鍍層 凹形玻璃膜片 過濾器 膜片為膜片為動電極動電極，兩個在，兩個在凹形玻璃上凹形玻璃上 的金屬鍍層的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動電容為固定電極，構(gòu)成

23、差動電容 器。器。 當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并 產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電 容量，一個增大，容量，一個增大， 一個減小。一個減小。 該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換 成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電 壓的變化。壓的變化。 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 6 2 1 C1 C2 5 d1 d2 4 3 1固 定 電 極 ； 2絕 緣 墊 ； 3質(zhì) 量 塊 ； 4彈 簧 ； 5輸 出 端 ； 6殼 體 當(dāng)傳感器殼體隨被測

24、對象沿垂直方當(dāng)傳感器殼體隨被測對象沿垂直方 向作直線加速運動時，質(zhì)量塊在慣性空向作直線加速運動時，質(zhì)量塊在慣性空 間中相對靜止，間中相對靜止， 兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂 直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位 移。移。 此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化， 一個增加，一個減小，一個增加，一個減小， 從而使從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號產(chǎn)生大小相等、符號 相反的增量，此增量正比于被測加速度。相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點：電容式加速度傳感器的主要特點： 頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采 用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 5.5.3 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器 檢測金屬帶材的厚度。檢測金屬帶材的厚度。 差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 音 頻 信 號 發(fā) 生 器 音 頻 放 大 器全 波 整 流 器差 動 放 大 器 C0 C1 C2 R