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检测与控制电路基础 第3章 传感器与测试系统 Unit3 电抗式传感器检测电路 3.4.2 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 油管检测 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： (1).单一变化的电容或电感 Co±ΔC 或 Lo±ΔL; (2).变化电感加上参考电感 L0±ΔL, L0 （例如，电涡流接近传感器的情况） (3).差动电容或电感 Co+ΔC与Co-ΔC, 或Lo + ΔL与Lo-ΔL 电抗测量的基本问题 1. 检测电路：自激式、他激式 电抗测量的基本问题 2. 电缆的影响 3. 元件本身的Q值影响 电抗测量的基本问题 变极距式电容传感器： 电抗测量的基本问题 变极距式电容传感器： 电抗测量的基本问题 变极距式电容传感器： 电抗测量的基本问题 电荷放大器 优点：杂散电容Cs1和Cs2不影响测量结果 对传感器的引线进行屏蔽降低Cs3 线性阻抗变化的分压器法 缺点：非线性、杂散电容影响 缺点：当x1时，存在较大的常数项，严重影响测 量分辨率与灵敏度 2. 交流电桥 电桥配置： Z1= Z0(1 +x)、 Z2 = Z3 = Z4 = Z0 输出电压 注意：输出电压与x非线性 1. 双臂电桥电路的优点：可消除对两个传感器 元件同时出现的一些变化（如温度影响） 2. 另2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2臂采用电 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 耦合电感臂的电桥 中心抽头变压器形式 的变压器电桥 自耦变压器形式的变 压器电桥 优点：对杂散电容Cs1和Cs2不敏感、精度高 缺点：不易小型化、微型化 3.4.3 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 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 示出其检测范围广、易于与集成电路工艺相结合等方 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 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 于集成 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 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 检测电路分类 无论何种检测方法，其核心都是借助 于专用测量电路来检测微小的电容值， 并将其转换为与其成正比的电压或频 率信号（有时也可转换为脉冲宽度），即 进行C/F转换或C/ V转换 一般来说，电容式传感器的电容值都比较小 ，所以检测电路的工作频率一般需要高一些，使 电容传感器的阻抗尽可能小一些。

典型的阻抗为 1 ~ l00MΩ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 的动态响应速度的程度 一般来说，达到50kHz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 实现带来困难 基于CMOS开关电路的检测电路一般不应高 于100kHz 1. 谐振式检测电路 2.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 实现对被测电容的充电／放电控制，同样可实现电容的检 测图3-32给出了充放电式检测电路的原理目前该电路 的测量精度可以达到0. 3fF,已经成功应用于电容层析成像 当电子开关以一定的频率f不断对Cx充放电时,放大器 的输出V1、V2分别表示为: V1=RfCxVef V2=-RfCxVef 经仪表放大器,输出电压V=2RfCxVef,即得到与 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 好,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,因为滤波器时间常数越大,测量 信号越平稳,但这样会使电容测量周期变长;滤波器的 时间常数越小,数据采集速率越快,但是噪声会增大 此外,开关的高速切换还会使测量受电荷注入效应的 影响。

3.交流式检测电路 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、 低漂移等特点 4.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 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 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， 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 消除边缘效应 。