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小型电容测量电路

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浏览:次 2017-06-07 10:06:05

小型电容测量电路 小型电容测量电路 电容式传感器是将被丈量的变化转换成电容量变化的1种装置。电容式传感用具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触丈量,并能在高温、辐射和强烈振动等卑劣条件下工作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛利用。例如在气力输送系统中,可以用电容传感器来取得浓度信号和活动噪声信号,从而丈量物料的质量流量;在电力系统中,采取电容传感器在线监测电缆沟的温度,确保使用的安全;由英国曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)率先开发的电容层析成像(ECT)技术是解决火电厂煤粉输送风-粉在线监测等气固两相流成份和流量检测的有效途径,其中微小电容丈量是关键技术之1。 电容传感器的电容变化量常常很小。结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在电容层析成像系统中被测电容变化量可达0 电容式传感器是将被丈量的变化转换成电容量变化的1种装置。电容式传感用具有结构简单、分辨力高、工作可靠、动态响应快、可非接触丈量,并能在高温、辐射和强烈振动等卑劣条件下工作等优点已在工农业生产的各个领域得到广泛利用。例寿命实验机如在气力输送系统中,可以用电容传感器来取得浓度信号和活动噪声信号,从而丈量物料的质量流量;在电力系统中,采取电容传感器在线监测电缆沟的温度,确保使用的安全;由英国曼彻斯特科学与技术大学(UMIST)率先开发的电容层析成像(ECT)技术是解决火电厂煤粉输送风-粉在线监测等气固两相流成份和流量检测的有效途径,其中微小电容丈量是关键技术之威海实验机1。
电容传感器的电容变化量常常很小。结果电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。特别在电容层析成像系统中被测电容变化量可达0.01pF,属于微弱电容丈量,系统中总的杂散电容(1般大于100pF)远远大于系统的电容变化值,且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场散布及器件的选取等诸多因素的影响而变化,同时被测电容变化范围大。因此微小电容测jjicm塑料检查井力学性能实验机量电路必须满足动态范围大、丈量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。

1 充/放电电容丈量电路
充/放电电容丈量电路基本原理如图1所示。
充/放电电容检测电路小型电容丈量电路
由CMOS开关S1,将未知电容Cx充电至Ve,再由第2个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在1个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx,在时钟脉冲控制下,充/放电进程以频率f=1/T重复进行,因此平均电流Im=Ve·Cx·f,该电流被转维卡实验机换成电压并被平滑,最后给出1个直流输出电压Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf为检波器的反馈电阻) 。
充/放电电容丈量电路典型的例子为差动式直流充放电C/V转换电路,如图2所示。
小型电容测量电路小型电容丈量电路
Cs1和Cs2分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散电容(通过分析可知,它们不影响电容Cx的丈量)。示波冲击实验机S1-S4是CMOS开关,S1和S3同步,S2和S3同步,它们的通断受频率f的时纸带磨擦实验机钟信号控制,每一个工作周期由充/放电组成。分析可得电路输出为
Vo=2KRfVeCxf(1)
式中,K为差分放大器D3的放大倍数。
该通讯电源电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容,而且电路结构简单,本钱很低,经过App补偿后电路稳定性较高,获得数据速多功能环压边压实验机度快。缺点是电路采取的是直放逐大,存在较大的漂移;另外,充/放电是由CMOS开关控制,所以存在电荷注入问题。目前该电路已成功利用于6、8、12电极的ECT系统中。其典型辩白率可达3*10⑴5F。

2 AC电桥电容丈量电路
AC电桥电容丈量电路如图3所示,其原理是将被测电容在1个桥臂,可调的参考阻抗放在相邻的1个桥臂,2桥臂分别接到频率相同/纸板压力实验机幅值相同的信号源上,调理参考阻抗使桥路平衡,则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这类电路的主要优点是:精度高,合适作精密电容丈量,可以管材爆破万能实验机做到高信噪比。
AC电桥电容测量电路
图3电路的缺点是无自动平衡措施,为此可采取图4所示的自动平衡AC电桥电容丈量电路。
小型电容测量电路
该系统输出Vd为1直流信号,ΔC为传感器的电容变化量。
小型电容测量电路小型电容丈量电路
式中,2/π为相敏因子。
结合平衡条件,在理论上输出Vd可写成
小型电容测量电路
取得该电桥的自动平衡进程的步骤为:保证电桥未加载时ΔC=0,丈量电桥非平衡值并利用公式加热变形实验机(3)计算出电桥输出为零时所需的反馈信号Ve的值。重新丈量桥路的输出,若输出为零,则桥路平衡;若输出不为零,重复上述丈量步骤,直至桥路输出为零,即桥路平衡为止。该电桥电容丈量电路原理上没有斟酌消除杂散电容影响的问题,为此采取屏蔽电缆等复杂措施,而且其效果也不1定理想。通过实验测得其线性误差能到达±1*10⑴3F。

3 交换锁相放大电容丈量电路
交换型的C/V转换电路基本万能磨擦磨损实验机原理如图5所示。
交流电容测量电路
正弦信号Ui(t)对被测电容进行鼓励,鼓励电流流经过反馈电阻Rf、反馈电容Cf,和运放组成的检测器D转换成交换电压Uo(t):
海绵反复紧缩实验机 小型电容测量电路
KL矿灯电池短路实验机 若jωRfCf>>1,则(4)式为
小型电容测量电路
式(5)表明,输出电压值正比于被测电容值。为了能直接反应被测电容的变化量,目前经常使用的是带负反馈回路的C/V转换电路。这类电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达0曲折旋转实验机.4*10⑴5F。
集装袋实验机 由于采取交换放大器,所以低漂移、高信噪比,但电路较复杂,本钱高,频率受限。

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4 基于V/T变换的电容丈量电路
丈量电路基本原理如图6所示。
小型电容测量电路
电流源Io为4DH型精密恒流管,它与电容C通过电子开关K串连构成闭合回路,电容C的两端连接到电压比较器P的输入端,丈量进程以下:当K1闭合时,基准电压给电容充电至Uc=Us,然后K1断开,K2闭合,电容在电流源的作用下放电,单片机的内部计数器同时开始工作。当电流源对电容放电至Uc=0时,比较器翻转,计数器结束计数,计数值与电容放电时间成正比,计数脉冲与放电时间关系如图7所示。
小型电容测量电路小型电容丈量电路
电容电压Uc与放电电流Io的关系为:
小型电容测量电路
令Uc=0,则有:
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合金材料拉力实验机 式中,N为计数器的读数;Tc为计数脉冲的周期;它是碳13呼气实验机1个常数;在Us和Io为定值时,C与N成正比。
基于V/T变换的电容丈量电路,对被测电容只进行1次充放电便可完成对被测电容的丈量。采取了电子技术中准确度较高的时间测耐流尘实验机量原理,克服了传统丈量微弱信号电路中放大器的稳定性不好、零点漂移大等缺点,且电路结构简单、丈量精度和分辨率高。

5 基于浑沌理论的恒流式浑沌丈量电路
恒流式浑沌电路如图8所示。
恒流式混沌电路
其工作原理以下:当K1、K2断开时,K3闭合。电容C充电使Uc=Ux,然后K3断开,待周期为t的脉冲序列δ中的1个脉冲到达G(逻辑电路)时,G的输人信号使K2闭合,K1保持断开(此时相当于图9中的X1点),电容开始以-0.5Io的恒定电放逐电。当Uc=0时,相当于电路中的A点,比较器翻转,输出电压Up由高电平变成底电砂轮回转实验机平,Up的变化促使G变化,使G控制K1闭合、K2断开,此时电容C由恒定电流Io充电,使Uc按A-X2方向上升。当又1个脉冲到来时(相当于图8中X2点),G又开始变化,使K1断开、K2闭合,又1个放电充电进程开始。这样循环往复的放电充电使Uc的变化如图9所示,只要适当调剂,Io和t就能够使直流电源电路处于浑沌状态。
小型电容测量电路小型电容丈量电路
这类方法突出的优点是丈量的分辨率高,丈量的绝对误差不随被测电容值的变化而改变,对作为传感器的元件只要求稳定便可。当被测电容很大时,相对误差还会减小。此方法除可以直接丈量电容外,也能够作为电容式传感器丈量其它电量和非电量。

6 基于电荷放大原理的电容丈量电路
基于电荷放大原理的电容丈量电路如图10所示,该电路是通过丈量极板上的鼓励信号所感应出的电荷量而得到所测电容值的。图中Cx为被测电容,它的左边极板为鼓励电极,右边极板为丈量电极。Cas和Cbs表示每一个电极所有杂散电容的等效电容,Cas由鼓励信号源驱动,它的存在对流过被测电容的电流无影响。电容Cbs在
丈量进程中始终处于虚地状态,两端无电压差,因此它也对电容丈量无影响,因此全部电路对杂散电容的存在不敏感。
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基于电荷放大原理的电容丈量电路,1方面该电路对被测电容只进行1次充放电,便可完成对电容的丈量,由于丈量结果是直流稳定信号,不存在脉动成份,故电路中无需滤波器。因此大大提高了基于该电路的数据收集系统的数据收集速度。同时该电路具有很强的抗杂散电容的性能。另外一方面该电路可以对各开关的控制时序进行公道的设计,用以较好地解决了电子开关的电荷注入效应对丈量精度的影响问题,使电路到达了较高的分辨率。现在此电路成功利用于12电极ECT系统中,在不实时成像的情况下,数据收集速度可达600幅/s,对杂散电容具有较强的抑制能力,系统灵敏度4.8V/pF,可达最高分辨率为5*10⑴5F。

7 结论
电容传感器性能很大程度上取决于其丈量电路的性能,目前的微小电容丈量技术正处于不断的完善中,还不能满足实际利用发展的需要。从工业角度而言,1个完善的微小电容丈量电路应当具有低本钱、低漂移、响应速度快、抗杂散性好、高分辨率、高信噪比和适用范围广等优点高强螺栓拉扭实验机。在上述讨论的丈量电路各有优缺点,相比较而言,交换锁相放大丈量电路是目前实验室利用最好的检测电路,在现有研究成果基础上进1步改良其电路复杂、频率受限的缺点,将在工业实际丈量中具有广泛的利用前景。把微小电容丈量技术流变仪实验机研究工作推上1个新台阶。

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