淮阴工学院毕业设计说明书（论文）
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图3.2 电容传感器构成交流电桥的一些形式
在图3.2中，是电容传感器构成交流电桥的一些形式，在以上多种电桥中，最后一种（h）在工程实际中应用较为广泛。
交流电桥电路的特点： 1）高频交流正弦波供电；
2）电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施； 3）通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；
4）输出阻抗很高（几MΩ至几十MΩ），输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。 3.1.3 双T型充放电网络
电路原理如图3.3(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图3.3(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电，其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。
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VD2 R 第 17 页 共 32 页
VD1 R iC1 + ±UE C1 iC2 ＋
RL U0
+ C2 －
图3.3 双T充放电网络电路原理图（a）
R UE C1 + iC1 R C2 C1 + R i’C1 RL R RL iC2 + C i’C2 2+ UE
图3.3 双T充放电网络电路等效电路图(b)
根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下：
iC2RL??U?U?ER?RE??tL?exp???RRL??R?RRL??R??C2?R?RL?R?R???L?
在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2< IC21T1?1R?2RL??2ic2dt??ic2dt?UEC200TTTR?RL 同理，负半周时电容C1的平均电流: IC1?1R?2RLUEC1TR?RL 故在负载RL上产生的电压为： U0?RR?R?2RL?UERRL?IC1?IC2??L?C1?C2?2R?RL(R?RL)T 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 电路特点： 第 18 页 共 32 页 1）线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响； 2）电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； 3）输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； 4）适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 3.1.4 运算放大器电路 将电容式传感器接入运算放大器电路中，作为电路反馈元件而构成的测量电路，其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图3.5所示。 C ∑ -A u Cx ～ uo 图3.4 运算放大器电路原理图 图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，U0是输出信号电压。由运算放大器的工作原理可知，在开环放大倍数为A和输入阻抗Zi较大的情况下 U0??1/(j?Cx)CU??U1/(j?C)Cx， 将Cx??S/d代入，得 U0??UCd?S 负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=∞，输入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 3.1.5 差动脉冲调宽电路 差动脉冲调宽电路也称为脉冲调制电路，它是利用对传感器电容的充放电使电路 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 对应被测量变化的直流信号。 第 19 页 共 32 页 输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器就能得到 A1 VD1 双稳 态触 Ur 发器 Q A R1 C1 F uAB G 比较器 U0 C2 Q B R2 A2 VD2 图3.6 差动脉冲调宽电路原理图 图3.6为差动脉冲调宽电路原理图，其中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若采用单组式，则设定其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；电路中A1、A2是两个比较器，Ur为比较器的参考电压。当接通电源时，双稳态触发器的Q端即A点为高电平，B端为低电位。因此A点通过R1对C1充电，直至F点的电位等于参考电压Ur时，比较器A1输出脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端变为低电平，B端变为高电位。此时F点电位Ur经二极管VD1迅速放电至0，同时B点高电位经R2向C2充电，当G点电位充至Ur时，比较器A2输出脉冲，是双稳态触发器再一次翻转，Q端又变为高电位。如此周而复始，则在A、B两点分别输出宽度受C1、C2调制的矩形脉冲。当C1=C2的时候，各点的电压波形如图3.7（a）所示，输出电压UAB的平均值为零。但C1、C2不相等时，C1、C2充放电时间常数就会发生变化，若C1＞C2，则各点电压波形如图3.7（b）所示，输出电压UAB的平均值不为零。UAB经低通滤波后，就可以得到一直流电压U0为： U0?UA?UB?T1T2T?T2U1?U1?1U 1T1?T2T1?T2T?1T2式中：UA，UB——A点和B点矩形脉冲的直流分量； 淮阴工学院毕业设计说明书（论文） T1 ，T2——C1和C2的充放电时间； U1——触发器输出的高电位。 电容C1和C2的充电时间为： T1?R1C1lnU1 U1?UrU1 U1?Ur第 20 页 共 32 页 T2?R2C2ln设R1 =R2=R，则得 U0?C1?C2Ur C1?C2因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。 uA U1 0 uB U1 0 uAB U1 0 -U1 UF T1 Ur 0 UG Ur 0 t uA U1 0 uB U1 0 uAB U1 0 -U1 UF Ur 0 UG Ur 0 (b) T1 t t t t U0 t t T2 (a) t t T2 t 图3.7 差动脉冲调宽电路各点电压波形 差动脉冲调宽电路与电桥电路相比，只采用直流电源，无需振荡器，也就不存在对载波波形纯度等的要求。输出信号一般为100kHz～1MHz的矩形波，只要配置一