传感器应用第5章.pptVIP

一、工作原理： 1）当双稳态触发器处于某一状态，即：Q=1 Q=0 时 A点高电平通过R1对CX1充电。若双稳态触发器输出高电平时为U1，输出低电平时为0，则CX1的充电电压表达式为： 二、各点波形 由运算放大器工作原理可得 式中“-”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。式（5-33）说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度， 还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。 . . (5-32) 如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，代入式(5-32)，可得 (5-33) 5.4.3 二极管双T形交流电桥 图5-13是二极管双T形交流电桥电路原理图。 图5-13 二极管双T形交流电桥 e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完 全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差 动电容。 工作原理： 当传感器没有输入时，C1=C2。 当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图5-13（b）所示。 在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。 当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图5-13（c）所示； 在随后出现正半周时， C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2 。 根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。 若传感器输入不为0，则C1≠C2, I1≠I2, 此时在一个周期内通过RL上 的平均电流不为零， 因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为 （5-34） 式中：f 为电源频率。 当令 则式(5-34)可改写为： （5-35） 从式（5-35）可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，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Uo是电容C1和C2的函数。 该电路输出电压较高，当电源频率为1.3 MHz，电源电压U=46V时，电容在-7~7pF变化，可以在1MΩ负载上得到-5~5V的直流输出电压。 电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。 当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。 电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、 R2及RL有关，约为1~100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1 kΩ的负载电阻上升时间为20μs左右， 故可用来测量高速的机械运动。 5.4.4 环形二极管充放电法 基本原理：原理线路如图5-14所示。 高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电， 环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。 输入方波加在电桥的A点和地之间，Cx为被测电容，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容，C为滤波电容，A为直流电流表。在设计时，由于方波脉冲宽度足以使电容器Cx和Cd充、放电过程在方波平顶部分结束。 图5-14 环形二极管电容测量电路原理图 当输入的方波由E1跃变到E2时，电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。对电容Cx充电的电流如图5-14中i1所示的方向，对Cd充电的电流如i3所示方向。在充电过程中(T1这段时间)，VD2、 VD4一直处于截止状态。在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为 q1=Cd(E2-E1)。 当输入的方波由E2返回到E1时，Cx、Cd放电， 它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流所经过的路径分别为i2、 i4所示的方向。在放电过程中(T2时间内)，VD1、VD3截止。在T2这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2=Cx(E2-E1)。 基本原理： 设方波的频率f=1/T0(即每秒钟要发生的充放电过程的次数)， 则由C点流向A点的平均电流为I2=Cxf(E2-E1), 而从A点流向C点的平均电流为I3=Cdf(E2-E1), 流过此支路的瞬时电流的平均值为 (5-36) 式中, ΔE为方波的幅值，ΔE=E2-E1。  令Cx的初始值为C0，ΔCx为Cx的增量，则Cx=C0+ΔCx, 调节Cd=C0则 (5-37) 由式(5-37)可以看出，I