1、1传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系主讲教师：苏永清 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系复习与回顾1 电容式传感器的基本工作原理2 变面积型传感器（三种形式）3 变介质介电常数型（电容液面计原理）4 变极板间距型（差动式） 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系3-2 3-2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路一、等效电路一、等效电路L表示传感器各连线端端间的总电感：表示传感器各连线端端间的总电感： Rs由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻
2、、极板电阻和金属支架电阻组成；C为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；Rp为并联电阻，它包括了电极间直流电阻和气隙中为并联电阻，它包括了电极间直流电阻和气隙中介质损耗的等效电阻；介质损耗的等效电阻；cZsRLCpR 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系等效阻抗等效阻抗 2222222()()11ppcsppR CRZRjLR CR C由于并联电阻由于并联电阻 很大，上式经简化后得等效电容很大，上式经简化后得等效电容 22011 (/)ECCCLCffpR012fLC其中其中 为电路的谐振频率为电路的谐振频率2f 传感器传感器的的有效灵敏度有效灵敏度为：为：可见
3、：每次改变激励频率或更换传输电缆时都必须可见：每次改变激励频率或更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定对测量系统重新进行标定21EECCCCLC 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系二、测量电路二、测量电路（一）交流不平衡桥（一）交流不平衡桥如图如图3-8所示：所示： Z1为电容传感器阻抗，当为电容传感器阻抗，当Z1 Z4 Z2 Z3，则则USC=0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化当被测参数变化时引起传感器阻抗变化Z，其输出为：其输出为：112312412212()()(1)(1)()()(1)SCZZZZUEZZZZZZZZEZZ 电子与信息工程学院控
4、制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系11222(1)(1)SCZZZZAAAUEKEA令 为传感器阻抗相对变化值；A=为桥臂比，K=为桥臂系数则：121111122jjjZCdZCdZ eZeZZ e一般可有如下关系： 故：A= 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系222(1)()je 21-121+A所以：K=k=f( , )(1+A)则：k=f( , )1+2 cos +cos=actanf( , )21+cos桥臂系数的模、相角与的关系曲线，如图3-9所示： 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系 电子与信息工程学
5、院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系9 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（二）二极管环形检波电路如图3-10所示：图3-10 二极管环形检波电路 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系 是高频电源， 为特性完全相同的两个二极管, 为传感器的两个差动电容， 为负载电阻。LR12RRR ，12CC、12DD、U其工作原理如下：线路接通后，在正半周时D1导通，D2截止，C1充电至U，在负半周D1截止,D2导通，C2充电至U，同时C1经R1以电流I1向负载RL供电；第二周期,C1充电,C2经R2向RL供电，由于C1=C2
6、, R1=R2 ,通过RL的平均电流为零,其输出电压平均值也为零。当传感器电容变化时， C1C2这时负载上平均电流I10，其输出电压的平均值为： 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系f为电源频率，当RL已知时： 为常数，则：2(2) ()LLLKR R RRRR012()iUKU f CC其特点：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，故非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响，线路简单；(5)输出电压较高；(6)输出阻
7、抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2 及RL有关；(7)输出信号的上升沿时间取决于负载电阻RL，可用于动态测量；(8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（三）差动脉冲宽度调制电路如图3-11所示：图3-11 差动脉冲调宽电路原理图 C1C2-传感器的两个差动电容；A1A2-两个电压比较器；Ur-参考直流电压 由分析可得出：电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1C2调制，当C1C2时， 和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零，如图3-12（a)所示: QQ 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子
8、与信息工程学院控制科学与工程系图3-12 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系当时 ，各点的电压波形如图3-12(b)所示 ：12CC 经低通滤波后，就可得到一直流电压 ： ABu0U12120111212TTCCUUUTTCCT1、T2分别为C1、C2的充电时间；U1为触发器输出的高电位。 当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，可有： 010dUUd对于差动变面积式电容传感器，可有： 010SUUS 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系由上分析可见： 差动脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线路，无
9、波形和相移失真，输出信号只需要通过低通滤波器引出，直流信号的极性取决于C1和C2 ；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系（四）运算法测量电路如图3-13所示：图3-13 运算放大器式电路原理图 图中Cx是传感器的电容， 是交流电源电压， 是输出电压信号。由运算放大器的工作原理可有： iU0U011xiixj CCUUUj CC 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系如果是变极距式的电容传感器，则有： 0ixCUUdS
10、 “”号表示输出电压与电源电压反相。 上式表明： 运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系，从而克服了变间隙式电容传感器的非线性问题。 运算放大器虽解决了单个变极距式电容传感器的非线性问题，但要求放大器具有足够大的放大倍数，而且输入阻抗很高。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系例题例题 图为二极管环形检波测量电路。图为二极管环形检波测量电路。C1和和C2为差动式电为差动式电容传感器，容传感器，C3为滤波电容，为滤波电容，RL为负载电阻。为负载电阻。R0为限流电为限流电阻。阻。UP是正弦波信号源。设是正弦波信号源。设RL很大，并且很大，并且C3C1,C3C2。
11、 试分析此电路工作原理；试分析此电路工作原理； 画出输出端电压画出输出端电压UAB在在C1=C2、C1C2、C1C2三种情况下三种情况下波形图；波形图； 推导数学表达式。推导数学表达式。 电子与信息工程学院控制科学与工程系电子与信息工程学院控制科学与工程系0,0,0,212121ABABABUCCUCCUCC),(,21332211CCCCUCjIUCjIPP阻抗可忽略，ABABZIIU)(21 UAB波形图如图3-5(b）所示。由波形图可知 ，则 31231()1LPLRj cjCC URj C121233)PPCCCCjUUj CC输出电压平均值PABUCCCKU321，式中K为滤波系数
