理论教育 电容式传感器的测量电路设计与应用

电容式传感器的测量电路设计与应用

时间:2023-06-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:电容式传感器将被测量的变化转换为电容的变化,但是电容式传感器输出的电容及电容变化量很小,一般需要适当的后续电路将其转换为电压、电流或频率信号。直流极化电路图3.11变压器式交流电桥测量电路直流极化电路又称为静压电容式传感器电路,多用于电容式传感器或压力传感器。

电容式传感器的测量电路设计与应用

电容式传感器将被测量的变化转换为电容的变化,但是电容式传感器输出的电容及电容变化量很小,一般需要适当的后续电路将其转换为电压、电流或频率信号。常用的电路有以下4种:

(1)变压器式交流电桥

电容器传感器所用的变压器式交流电桥测量电路如图3.11所示。电桥两臂C1,C2为差动式电容传感器的电容,另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的1/2,即L1,L2。电桥的输出为一调幅波,经放大、相敏检波、滤波后获得输出,再推动显示仪表。

(2)直流极化电路

图3.11 变压器式交流电桥测量电路

直流极化电路又称为静压电容式传感器电路,多用于电容式传感器或压力传感器。其结构如图3.12所示。弹性膜片在外力作用下发生位移,使电容器电容量发生变化,电容器接在具有直流极化电压U0的电路中,电容的变化由高阻值电阻R转换为电压变化。由图3.12可知,电压输出为

式中 A——两极板所覆盖的面积。

由式(3.29)可知,电路输出电压与膜片的运动速度成正比。因此,此种传感器可测量气流(或液流)的振动速度,进而得到压力。

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图3.12 直流极化电路

(3)调频电路

图3.13 调频电路工作原理

调频电路结构如图3.13所示。传感器是电容式振荡器谐振回路的一部分,当输入量使传感器电容量发生变化时,振荡器的振荡频率发生变化,频率的变化经过鉴频器变为电压变化,再经过放大后由记录器或显示仪表指示。这种电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点,能够测量0.01μm的位移变化量。但电容受电缆分布影响较大,使用中需注意。

(4)运算放大器电路

图3.14 运算放大器电路

由于极距变化型传感器的灵敏度随极距而变化,即传感器电容量的变化量与极距变化呈非线性关系,这使得电容式传感器的应用受到一定限制。若采用比例运算放大器电路可得到输出电压与极距变化的线性关系,运算放大器电路如图3.14所示。输入阻抗采用固定电容C0,反馈阻抗采用电容式传感器的电容Cx,根据比例器的运算关系,当激励电压为U0时,输出电压为

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