基于CST檢測技術及DFCT電路實現(xiàn)
摘要:討論CST檢測特性,分析了各種CST傳感器檢測電路。對調(diào)頻檢測電路造成頻率不穩(wěn)定進行了較全面的分析,得到影響振蕩頻率的原因以及這些影響的共同特征,從而提出了一種新的差動變頻檢測(DFCT)技術方案。對此方案進行了電路設計制作,檢測試驗。檢測試驗結果表明用于電容差動變頻檢測(DFCT)技術的頻率穩(wěn)定性比一般的變頻檢測(DFCT)技術高2~3個數(shù)量級,得到頻率穩(wěn)定性很高的檢測電路。
關鍵詞:檢測技術;CST傳感器;動態(tài)響應;頻率穩(wěn)定性;差頻
0 引言
檢測技術作為信息科學的一個重要分支,與計算機技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術的完整學科。在人類進入信息時代的今天,人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心,傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段,是信息科學最前端的一個陣地,是實現(xiàn)信息化的基礎技術之一。
“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣,源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息,成為人們認識自然、改造自然的有利工具。隨著社會的發(fā)展、技術的進步,電容傳感器(CS)在傳感器技術中發(fā)揮著越來越重要的作用。
電容傳感器(CS)具有許多優(yōu)良的特性:
(1)溫度穩(wěn)定性好
傳感器的電容值一般與電極材料無關,僅取決于電極的幾何尺寸,且空氣等介質(zhì)損耗很小,因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮,合理選擇材料和幾何尺寸即可,其他因素(因本身發(fā)熱極小)影響甚微。
(2)結構簡單,適應性強
電容式傳感器結構簡單,易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作,適應能力強,尤其可以承受很大的溫度變化,在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作,能測超高壓和低壓差,也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小,以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。
(3)動態(tài)響應好
電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小,(約幾個10-5N),需要的作用能量極小,又由于它的可動部分可以做得很小很薄,即質(zhì)量很輕,因此其固有頻率很高,動態(tài)響應時間短,能在幾兆赫茲的頻率下工作,特別適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電,因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù),如測量振動、瞬時壓力等。
(4)可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應
當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
電容式傳感器除上述優(yōu)點之外,還因帶電極板間的靜電引力極小,因此所需輸入能量極小,所以特別適宜低能量輸入的測量,例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很靈敏,分辨力非常高,能感受0.001 m甚至更小的位移。
不足:輸出阻抗高,負載能力差;寄生電容影響大;輸出特性非線性。
1 CST檢測電路分析
CST的檢測電路非常多,常見的有如下幾種:
1.1 電橋檢測電路
1.1.1 檢測電路
電橋檢測電路原理圖如圖1所示,分為單臂接法和雙臂接法。對圖1(a)單臂接法,電橋平衡時:
1.1.2 檢測電路特點
(1)高頻交流正弦波供電;
(2)電橋輸出調(diào)幅波,要求其電源電壓波動極小,需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施;
(3)通常處于不平衡工作狀態(tài),所以傳感器必須工作在平衡位置附近,否則電橋非線性增大,且在要求精度高的場合應采用自動平衡電橋;
(4)輸出阻抗很高(幾兆歐姆至幾十兆歐姆),輸出電壓低,必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。
1.2 二極管雙T形檢測電路
1.2.1 電路原理
電路原理如圖2所示,其供電電壓是幅值為±E、周期為T、占空比為50%的方波。若將二極管理想化,則當電源為正半周時,電路等效成典型的一階電路,其中二極管D1導通D2截止,電容C1被以極其短的時間充電,其影響可不予考慮。電容C2的電壓初始值為E,通過Rf放電,放電電流i2。電源為負半周時,D1截止、D2導通,電容C1通過Rf放電,放電電流i1,電容C2則被充電。根據(jù)一階電路時域分析的三要素法,當R1=R2=R,可直接得到負載上的電流I0為:
式中:f為充電電源的頻率,電路最大靈敏度發(fā)生在1/k1=1/k2=0.57的情況下。
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