第5章传感器原理.ppt

5.4.5 脉冲宽度调制电路 图5-15 脉冲宽度调制电路图 图5-16 脉冲宽度调制电路电压波形 电路各点波形如图5-16（b）所示，此时uA、uB脉冲宽度不再相等，一个周期(T1+T2)时间内的平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后， 可获得Uo输出 （5-38） 式中： U1——触发器输出高电平；  T1、T2——Cx1、Cx2充电至Ur时所需时间。 由电路知识可知 （5-39） （5-40） 将T1、T2代入式（5-38），得 （5-41） 把平行板电容的公式代入式（5-41），在变极板距离的情况下可得 （5-42） 式中, d1、d2分别为Cx1、Cx2极板间距离。  当差动电容Cx1= Cx2=C0，即d1=d2=d0时，Uo=0；若Cx1≠Cx2， 设Cx1 Cx2 ，即d1=d0-Δd, d2=d0+Δd, 则有 （5-43） 同样， 在变面积电容传感器中， 则有 （5-44） 由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。 二、差动脉宽调制电路 A1 A2 Ur R1 R2 C1 D1 D2 C2 Q Q A C B D A3 +V -V U0 R-S 触发器 脉冲宽度调制电路 1.电路基本结构（R-S 触发器） 2.工作过程 ⑴设加电初态 则C1充电。开始时刻，VC、VDUr，A1、A2输出高电平。 ⑵ C1充电到VC Ur→ A2输出低 输出低电平→ → C1 经D1放电→ VC Ur， A2恢复高电平。同时C2充电。 C2充电时间T2 ⑶ C2充电到VD Ur→ A1输出低电平→ →C2 经D2放电→ VD Ur， A1恢复高电平。同时C1充电。 C1充电时间T1 R-S 触发器高电平输出 3.输出分析 表5-1 电介质材料的相对介电常数 产品. 电容式液位传感器（液位计/料位计） 电容式接近开关 振荡电路 被测物体 感应电极 被测电容 测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 由式（5-4）可知， 电容的相对变化量为 (5-13) 当|Δd/d0|1时，上式可按级数展开，可得 (5-14) 由式（5-14）可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，当|Δd/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系， 如下式所示： (5-15) 电容传感器的灵敏度为 (5-16) 它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。 如果考虑式（5-14）中的线性项与二次项， 则 (5-17) 由此可得出传感器的相对非线性误差δ为 (5-18) 由式（5-16）与式（5-18）可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。图5-9是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。 在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则 (5-19) (5-20) 图5-9 差动平板式电容传感器结构图 在Δd/d01时, 按级数展开得 (5-21) (5-22) 电容值总的变化量为 (5-23) 电容值相对变化量为 (5-24) 略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成为如下的线性关系： (5-25) 如果只考虑式（5-24）中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差δ近似为 (5-26) 二、电容式传感器的几个典型特点 1.高阻抗 直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/( jωC)由于C一般较小，当频率ω不太高时交流阻也很大。 2.小功率 视在功率PC=UI=U 2ωC，由于C很小，则在频率ω不太高时PC也很小。 3.存在静电吸引力 由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测