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:
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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