变阻抗式传感器检测电路课件.ppt

1、 变阻抗式传感器检测电路变阻抗式传感器检测电路原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测1.1.电抗测量的基本问题电抗测量的基本问题变电抗式传感器一般有如下几种情况：变电抗式传感器一般有如下几种情况：(1).(1).单一变化的电容或电感单一变化的电容或电感 CoCoCC 或或 LoLoLL;(2).(2).变化电感加上参考电感变化电感加上参考电感 L0L0L,L0L,L0（例如，电涡流接近传感器的情况）（例如，电涡流接近传感器的情况）(3).(3).差动电容或电感差动电容或电感 Co+CCo+C与与Co-C,Co-C,或或Lo+LLo+L与与Lo-L Lo-L 电抗测

2、量的基本问题电抗测量的基本问题（1 1）检测）检测电路：自激式、他激式电路：自激式、他激式电抗测量的基本问题电抗测量的基本问题（2 2）电缆的影响电缆的影响（3 3）元件本身的元件本身的Q Q值影响值影响电抗测量的基本问题电抗测量的基本问题变极距式电容传感器：变极距式电容传感器：电抗测量的基本问题电抗测量的基本问题变极距式电容传感器：变极距式电容传感器：电抗测量的基本问题电抗测量的基本问题变极距式电容传感器：变极距式电容传感器：电抗测量的基本问题电抗测量的基本问题电荷放大器电荷放大器CCVVxeo优点：杂散电容优点：杂散电容C Cs1s1和和C Cs2s2不影响测量结果不影响测量结果 对传感器

3、的引线进行屏蔽降低对传感器的引线进行屏蔽降低C Cs3s3线性阻抗变化的分压器法线性阻抗变化的分压器法xxVxZZxZVVeeo21)1()1(000缺点：非线性、杂散电容影响缺点：非线性、杂散电容影响21)1()-1()1(000 xVxZxZxZVVeeo缺点：当缺点：当x1x1时，存在较大的常数项，严重影响测时，存在较大的常数项，严重影响测量分辨率与灵敏度量分辨率与灵敏度2.2.交流电桥交流电桥电桥配置：电桥配置：Z1=Z0(1+x)、Z2=Z3=Z4=Z0输出电压输出电压注意：输出电压与注意：输出电压与x非线性非线性1.双臂电桥电路的优点：可消除对两个传感器双臂电桥电路的优点：可消除对

4、两个传感器元件同时出现的一些变化（如温度影响）元件同时出现的一些变化（如温度影响）2.另另2个固定桥臂可以是电感、电阻、电容等。个固定桥臂可以是电感、电阻、电容等。3.对于传感器阻抗较大的桥路，如另对于传感器阻抗较大的桥路，如另2臂采用电臂采用电阻，会因为寄生阻抗导致显著误差阻，会因为寄生阻抗导致显著误差变压器电桥：固定桥臂为精确绕组比、中心抽头的强变压器电桥：固定桥臂为精确绕组比、中心抽头的强耦合电感臂的电桥耦合电感臂的电桥中心抽头变压器形式中心抽头变压器形式的变压器电桥的变压器电桥自耦变压器形式的变自耦变压器形式的变压器电桥压器电桥优点：对杂散电容优点：对杂散电容C Cs1s1和和C Cs

5、2s2不敏感、精度高不敏感、精度高缺点：不易小型化、微型化缺点：不易小型化、微型化3 3 电容式传感器的检测电路电容式传感器的检测电路微电子技术的发展为传感器的集成化方法创造微电子技术的发展为传感器的集成化方法创造了良好的技术条件。了良好的技术条件。相比于电感式传感器，电容式传感器越来越显相比于电感式传感器，电容式传感器越来越显示出其检测范围广、示出其检测范围广、易于与集成电路工艺相结合易于与集成电路工艺相结合等方等方面的优越性。将集成电路技术及超小型电容器应用于面的优越性。将集成电路技术及超小型电容器应用于检测电路，可使部分器件与传感器做成一体，这既可检测电路，可使部分器件与传感器做成一体，

6、这既可减小寄生电容值，又可使寄生电容值也固定不变。减小寄生电容值，又可使寄生电容值也固定不变。而前面所述的带电阻器和线圈的电桥电路则难而前面所述的带电阻器和线圈的电桥电路则难于集成。于集成。近年来，将数字电路与模拟电路相结合，出现近年来，将数字电路与模拟电路相结合，出现了多种针对电容式传感器的检测电路。大部分检测电了多种针对电容式传感器的检测电路。大部分检测电路既适合于单片集成的传感器，也适合于用分立元件路既适合于单片集成的传感器，也适合于用分立元件制作的传感器。制作的传感器。检测电路分类检测电路分类无论何种检测方法，其核心都是无论何种检测方法，其核心都是借助借助于专用测量电路于专用测量电路来

7、检测微小的电容值，来检测微小的电容值，并将其并将其转换为与其成正比的电压或频转换为与其成正比的电压或频率信号率信号（有时也可转换为脉冲宽度），即（有时也可转换为脉冲宽度），即进行进行C/FC/F转换或转换或C/VC/V转换。转换。一般来说，电容式传感器的电容值都比较小，一般来说，电容式传感器的电容值都比较小，所以检测电路的所以检测电路的工作频率一般需要高一些工作频率一般需要高一些，使电，使电容传感器的阻抗尽可能小一些。典型的阻抗为容传感器的阻抗尽可能小一些。典型的阻抗为1 l00M。理想情况下，工作频率应该高到可有效。理想情况下，工作频率应该高到可有效屏蔽电源的交流干扰以及保证传感器有足够的动

8、屏蔽电源的交流干扰以及保证传感器有足够的动态响应速度的程度。态响应速度的程度。一般来说，达到一般来说，达到50kHz即可接受。当然，工即可接受。当然，工作频率也不能太高，那样会给检测电路的设计及作频率也不能太高，那样会给检测电路的设计及实现带来困难。实现带来困难。基于基于CMOS开关电路的检测电路一般不应高开关电路的检测电路一般不应高于于100kHz。（1 1）.谐振式检测电路谐振式检测电路（2 2）.充放电式检测电路充放电式检测电路 利用方波信号控制电路中模拟电子开关的状态，从而利用方波信号控制电路中模拟电子开关的状态，从而实现对被测电容的充电放电控制，同样可实现电容的检实现对被测电容的充电

9、放电控制，同样可实现电容的检测。目前该电路的测量精度可以达到测。目前该电路的测量精度可以达到0.3fF0.3fF,已经成功应用已经成功应用于电容层析成像于电容层析成像。当电子开关以一定的频率当电子开关以一定的频率f f不断对不断对CxCx充放电时充放电时,放大器放大器的输出的输出V V1 1、V V2 2分别表示为分别表示为:V1 1=RfCxVefV2=-RfCxVef经仪表放大器经仪表放大器,输出电压输出电压V=2RfCxVef,V=2RfCxVef,即得到与即得到与电容成正比的电压值电容成正比的电压值充放电法在抗杂散电容干扰、实时性方面都较充放电法在抗杂散电容干扰、实时性方面都较好好,但

10、存在的主要问题是测量信号的平稳性和数据采但存在的主要问题是测量信号的平稳性和数据采集速率不能同时提高集速率不能同时提高,因为滤波器时间常数越大因为滤波器时间常数越大,测量测量信号越平稳信号越平稳,但这样会使电容测量周期变长但这样会使电容测量周期变长;滤波器的滤波器的时间常数越小时间常数越小,数据采集速率越快数据采集速率越快,但是噪声会增大但是噪声会增大 。此外此外,开关的高速切换还会使测量受开关的高速切换还会使测量受电荷注入效应电荷注入效应的的影响。影响。（3 3）.交流式检测电路交流式检测电路具有测量速率快、抗杂散电容的能力具有测量速率快、抗杂散电容的能力,还具有电荷注入效应小、还具有电荷注

11、入效应小、低漂移等特点低漂移等特点（4 4）.电容式位移传感器的电缆驱动电容式位移传感器的电缆驱动由于在电容式传感器设计中，寄生电容带来的影响是由于在电容式传感器设计中，寄生电容带来的影响是非常重要的，而其中，引线电缆又是影响传感器测量非常重要的，而其中，引线电缆又是影响传感器测量精度的主要因素。可以说电缆寄生电容的影响，长期精度的主要因素。可以说电缆寄生电容的影响，长期以来一直是电容式传感器难于解决的棘手的技术问题。以来一直是电容式传感器难于解决的棘手的技术问题。这种接线法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，这种接线法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。电容的影响。消除边缘效应消除边缘效应