Название: Основы проектирования приборов и систем : сборник лабора-торных работ (Шивринский, В. Н.)

Жанр: Информационные системы и технологии

Просмотров: 3640


 емкостно-диодная измерительная схема

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостны- ми датчиками является защита их от наводок. Для этих целей, как сами датчики, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Одна- ко экранированный провод имеет емкость Cж.э  между жилой и экраном (C  50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости датчика.

 

 
Для работы с емкостными датчиками применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры – делители напряже- ния, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонансные конту- ры. Практический интерес представляет схема рис. 4.1 [9].Рис. 4.1. Схема устройства измерения емкости конденсатораИсточник переменного тока напряжением U подсоединен к точкам 1 и 2 измерительной схемы через разделительный конденсатор C3. Конден- сатор CX, емкость которого измеряется, подключен к точкам 1 и 2 через диод D1. Накопительный конденсатор C1 подсоединен к точкам 1 и 2 через резистор R1, а к конденсатору CX – через диод D2.Образцовый конденсатор C0, емкость которого известна, подключен к точкам 1 и 2 через диод D3. Второй накопительный конденсатор C2 под- соединен к точкам 1 и 2 через резистор R2, а к конденсатору C0 – через ди- од D4. К точкам 1 и 2 подсоединен также фильтр нижних частот, состоя- щий из последовательно соединенных резистора R3  и конденсатора C4.

Параллельно конденсатору C4 включено сопротивление нагрузки R4, с ко-торого и снимается выходной сигнал Uвых.При положительной полярности напряжения U (указанной на рис. 4.1 без скобок) открывается диод D3  и конденсатор C0  заряжается до напря- жения UCо, которое определяется значением C0. Напряжение UC на кон- денсаторе С вычисляется по формулеUC(t) = UC() – [UC() – UC(0)]e–t/RC,            (4.1)здесь t – время;UC(0), UC() – значения UC при t = 0 и t = ;R – сопротивление цепи заряда (прямое сопротивление D1 или D3).При  изменении  направления  U    (полярность  указана  на  рис. 4.1 в скобках) будет протекать ток заряда конденсатора C2  по цепи: точка 2, конденсатор C0, диод D4, конденсатор C2, точка 1. При этом конденсатор C2  зарядится до напряжения UC2 = U + UCo, так как источник напряжения U и конденсатор C0 оказались включенными последовательно и согласно.Аналогичным       образом          напряжение   на        конденсаторе C1       равноUC1 = U + UCx   (где  UCx   определяется  значением  CX),  но  полярность  UC1 противоположна полярности UC2. Конденсатор C1 разряжается по цепи R3, R4, R1, а конденсатор C2 – по цепи R2, R4, R3.Таким образом, токи разряда конденсаторов C1  и C2  протекают через сопротивление нагрузки R4  встречно, и выходной сигнал Uвых  будет про- порционален разности напряжений UC1  и UC2, т. е. в конечном счете, про- порционален разности емкостей конденсаторов CX и C0.В схеме сохраняется шунтирующее действие пар диодов D1, D2  и D3, D4, но так как сопротивления резисторов R1, R2  намного больше прямого сопротивления диодов, причем для шунтирующих токов резисторы R1, R2 оказываются включенными последовательно, то это действие намного меньше, чем в емкостно-диодной схеме [7].Нестабильность  выходного  напряжения  определяется  неидентично-стью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно

подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразит-ными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика.Контрольные приборы: генератор Г5-75 (амплитуда импульсов поло- жительной полярности 9,999 В, скважность 2); вольтметр В7-34А (предел измерения =10 В, или =100 В для U >10 В, n*T1, n = 2 нажатия); образцо- вый конденсатор переменной емкости, набор резисторов и конденсаторов, включаемых в схему с помощью переключателей.Значения сопротивлений резисторов R1, R2 и емкости образцового конденсатора С0, в зависимости от положения переключателей, приведены в таблице 4.1 (С0 – без учета емкости соединительных проводов).Были проведены предварительные исследования емкостно-диодной схемы рис. 4.1. Определялись статические и амплитудно-частотные харак- теристики измерительной схемы при разных значениях СX и R1 = R2 = R.Таблица 4.1Значения сопротивлений резисторов и емкости образцового конденсатора

Положение переключателей

R1, кОм

R2, кОм

С0, пФ

1

5,698

5,701

42,57

2

15,45

15,46

50,72

3

25,65

25,63

73,31

4

35,51

35,51

85,09

5

45,25

45,26

104,1

6

55,19

55,18

124,6

7

65,17

65,17

139,4

8

75,27

75,25

162,7

9

85,33

85,32

185,3

10

95,41

95,41

201,6

11

105,4

105,4

224,4

Результаты исследований представлены в таблицах 4.24.3. Их анализ позволил сделать выводы о выборе сопротивлений резисторов и частоты напряжения питания.Схема  обладает  «резонансными»  свойствами,  т. е.  при  постоянных значениях СX и R1 = R2 = R выходной сигнал Uвых достигает максимального

значения (в таблицах выделено жирным шрифтом) при определенном зна-чении частоты f напряжения питания.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)измерительной схемы при R1 = R2 = 9,2 кОм Таблица 4.2

 

F,кГц

Uвых, В, для СX:

195 пФ

225 пФ

255 пФ

285 пФ

315 пФ

345 пФ

355 пФ

20304050607080100200

0,38530,38860,38650,38260,37810,37320,36780,35650,3063

0,92130,96470,96330,95520,94420,93240,92010,89380,7732

1,08601,23521,34541,40671,40311,38521,36551,32501,1413

1,17431,34901,49271,61361,70941,76061,75251,69901,4565

1,24301,43321,59321,73131,85191,94702,02062,02231,7257

1,30321,50691,67911,82761,96052,06902,16462,28311,9636

1,32371,53241,70721,85601,99402,10502,20422,34062,0331

АЧХ измерительной схемы при R1 = R2 = 88 кОм Таблица 4.3

 

F,кГц

Uвых, В, для СX:

195 пФ

225 пФ

255 пФ

285 пФ

315 пФ

345 пФ

355 пФ

810121520

0,29460,30590,30460,30480,2994

0,70110,71470,71990,71680,6992

1,05481,07101,07491,06551,0338

1,36491,38031,38121,36371,3168

1,64891,66341,65921,63231,5699

1,85821,91201,90381,86711,7892

1,90501,98661,97901,93911,8560

Обобщенные амплитудно-частотные характеристики схемы при раз-

 

 
ных значениях СX и R приведены на рис. 4.2.Рис. 4.2. Обобщенные амплитудно-частотные характеристики

Здесь кривая 1 получена при значении измеряемой емкости СX1, кри- вые 2, 3, 4 – при СX2, причем СX1 < СX2, и разном значении сопротивлений. Из рисунка 4.2 следует, что выходной сигнал увеличивается с ростом СX, зависит от частоты напряжения питания и значений сопротивлений рези- сторов R1, R2. Такая измерительная схема может быть настроена на опти- мальное значение частоты fопт, когда выходной сигнал имеет максималь- ное значение при различных СX  (кривые 1, 2) и мало зависит от частоты напряжения питания (конечно, в некоторых пределах изменения f).Этот эффект обнаруживается только для определенного значения со- противлений резисторов R1 и R2. При увеличении сопротивлений опти- мальное значение частоты смещается влево (кривая 3, f3), при этом мак- симальное значение выходного напряжения уменьшается. При уменьше- нии сопротивлений оптимальное значение частоты смещается вправо (кривая 4, f4), при этом максимальное значение выходного напряжения увеличивается. Таким образом, схема, настроенная на оптимальную час- тоту при одном значении СX (кривая 1), не будет оптимальной для других значений СX (кривые 3, 4).Чтобы определить оптимальные значения f и R для емкостного топли-вомера, необходимо при двух значениях СX  (СX2 = 2C0  и CX1  несколько большей C0) снять экспериментальные зависимости частоты, при которой выходной сигнал принимает максимальное значение (fUm), от сопротивле- ния R. Такие обобщенные характеристики приведены на рис. 4.3.Рис. 4.3. Обобщенные регулировочные характеристики

Здесь кривая 1 получена для СX1  несколько большей C0, а кривая 2 – для СX2 = 2C0. Кривые 1 и 2 пересекаются в точке, соответствующей опти- мальным значениям частоты fопт и сопротивления Rопт.При этом выполняется условие T/ = 3,5, где  = RоптCX2; T = 1/fопт. Все подобные характеристики для (CX1 < CX < CX2) находятся между кривыми1 и 2 и пересекаются в той же точке.

 

 
Такую настройку можно использовать в измерительных схемах емко- стных топливомеров, для которых максимальное значение CX  не превос- ходит 2C0, где C0 равна емкости «сухого» датчика. Регулировочная харак- теристика схемы при R1 = R2 = R и С0 = 10 пФ приведена на рис. 4.4.Рис. 4.4. Регулировочная характеристика схемы рис. 4.1при С0 = 10 пФ, СX = 17 пФ и R1 = R2 = RИз рисунка 4.4 следует, что для С0 = 10 пФ максимальное значение выходного сигнала (при этом чувствительность также максимальна) полу- чается при R = 40 кОм. Если выбрать R = 40 кОм, то некоторое измене- ние R при изменении температуры не приведет к значительному измене- нию выходного сигнала.В то же время такая регулировочная характеристика позволяет осуще- ствлять температурную компенсацию, выбирая R больше или меньше максимального значения в зависимости от знака температурного коэффи- циента измерительной схемы и емкостного датчика.Задание 6Провести исследования емкостно-диодной измерительной схемы:1) определить  статическую  характеристику датчика  (зависимость  выходного напряжения Uвых  от измеряемой емкости С при заданных значениях сопро- тивлений R1, R2 и емкости конденсатора C0) на частоте 50 кГц;

2) определить  амплитудно-частотные  характеристики  измерительной  схемы при разных значениях СX и R1 = R2 = R;3) оценить статические характеристики измерительной схемы при R1  R2;Построить статические характеристики измерительной схемы Uвых = f(С), амплитудно-частотные     и     регулировочные     характеристики     (подобные рис. 4.24.4). Сделать выводы по результатам исследований.5. Датчик уклона автомобильной дороги на основе физического маятникаДатчик уклона автомобильной дороги представляет собой физический маятник, угол поворота которого относительно корпуса прибора измеря- ется с помощью емкостного преобразователя. Емкостный преобразователь изготовлен по типу [8], где роль указателя выполняет сам маятник. Сово- купность электродов 2, 3 датчика (рис. 5.1) образует слой на поверхности диэлектрика 1, разделенный пазом 4 на две части. Паз между электродами выполнен с возможностью дифференциального и монотонного изменения емкостей между маятником 5 и каждым из электродов.Рис. 5.1. Датчик уклона автомобильной дороги с физическим маятником и дифференциальным емкостным преобразователемФорма паза между электродами определяет чувствительность датчика в каждой точке выходной характеристики. Наиболее универсальной явля- ется форма паза, при которой зависимость выходных емкостей от угла по- ворота маятника линейная. При выполнении условия равенства емкостей между маятником и электродами в горизонтальном положении прибора упрощается процедура учета дополнительных погрешностей датчика.

Если мостовая измерительная схема уравновешена в точке равенства емкостей, то расположение этой точки на выходной характеристике не бу- дет зависеть от изменения зазора между маятником и электродами. Изме- нение выходной характеристики в этом случае будет носить мультиплика- тивный характер с центром в точке равновесия схемы.Чтобы   уменьшить   влияние   изменения   зазора   между   маятником и электродами в других точках градуировочной характеристики на выход- ной сигнал емкостного преобразователя, датчик (рис. 5.1) дополнен еще одной платой 1, установленной с противоположной стороны маятника. Одноименные электроды 2 и 3 двух плат электрически соединены между собой. Расчетная схема такого датчика, аналогичная схеме дифференци- ального емкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин [18, рис. 245, в], приведена на рис. 5.2, где приняты те же обозна- чения, что и на рис. 5.1 (2', 3' – электроды второй платы, аналогичные электродам 2, 3).Рис. 5.2. Расчетная схема дифференциального емкостного преобразователя с параллельным включением емкостей C1, C2Введем обозначения: d1, d2 – зазоры между маятником 5 и пластинами2, 2', соответственно; C1, C2  – соответствующие им составляющие емко- сти. Общая емкость CA между маятником и пластинами 2-2' определяется как сумма CA = C1 + C2. Аналогично определяется емкость CБ между маят- ником и пластинами 3-3'. Изменение составляющих C1, C2  и общей емко- сти CA от осевого зазора маятника (из-за изменения d1, d2, при постоянном расстоянии d между пластинами) представлено на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Изменение емкости датчика от расстояния между пластинами и маятником при параллельном включении C1, C2Если датчик изготовить так, что d1 = d2, то возможна работа в зоне ∆d, где суммарная емкость датчика мало зависит от осевого зазора. К тому же такой датчик имеет более высокую чувствительность по сравнению со схемой рис. 5.1. Однако зона ∆d узкая, поэтому точность изготовления датчика должна быть достаточно высокой.Другим недостатком такого датчика является необходимость в токо- подводе к подвижному электроду. Возможная схема датчика с последова- тельным включением емкостей C1, C2 представлена на рис. 5.4. Между не- подвижными пластинами 2, 2' (а также 3, 3') находится электрически изо- лированный маятник 5.Рис. 5.4. Расчетная схема дифференциального емкостного преобразователя с последовательным включением емкостей C1, C2Суммарная емкость CA определится из выражения1/CA = 1/C1 + 1/C2.      (5.1) Аналогично определится емкость между пластинами 3, 3' (CБ) в при- сутствии маятника. Изменение составляющих 1/C1 и 1/C2, а также 1/CA от осевого зазора маятника для последовательного включения приведено нарис. 5.5.

Рис. 5.5. Изменение емкости датчика от расстояния между пластинами и маятником при последовательном включении C1, C2Суммарная емкость датчика CА (CБ) при последовательном включении C1, C2  не зависит от зазоров d1, d2  и определяется лишь площадью пере- крытия пластин S и общим расстоянием между неподвижными пластина- ми. Для такого датчика не нужен токоподвод к маятнику.Если выполнить соединение, указанное на рис. 5.4 пунктирной лини- ей, то конструкция датчика упрощается: электроды 2', 3' можно выполнить в виде одной пластины. Однако чувствительность датчика с последова- тельным включением примерно в 4 раза меньше, по сравнению со схемой рис. 5.2,  когда  d1 = d2.  Для  практического  применения  наиболее  удобна схема датчика рис. 5.4.При этом были сделаны допущения, что маятник 5 из-за наличия осе- вого зазора имеет возможность малого перемещения вдоль оси, перпенди- кулярной пластинам 2, 2' (3, 3'), т. е. плоскость маятника остается парал- лельной плоскостям пластин 2, 2'. Если плоскость маятника повернута от- носительно пластин 2, 2' (рис. 5.6), то для плоского конденсатора это эк- вивалентно увеличению толщины маятника с t до t'. При этом зазор d1 уменьшается до d1', а d2 – до значения d2', что приводит к кажущемуся уменьшению расстояния d между неподвижными пластинами.Для снижения влияния этого эффекта в лабораторной работе маятник изготовлен из диэлектрика, армированного электропроводным материа- лом. Толщина электропроводных элементов небольшая, поэтому при пе- рекосах маятника кажущееся изменение его толщины небольшое. Это де- монстрируется на рис. 5.6, где t'' << t'. Указанная погрешность возникает как за счет перекоса маятника при креплении его на оси вращения, так и

за  счет  перекоса  самой  оси  относительно  неподвижных  электродов. В первом случае (при армированном маятнике и изменении осевого зазо- ра) погрешность незначительна (на рис. 5.6 маятник перемещается вдоль направления стрелки А).Рис. 5.6. Расчетная схема датчика с последовательным включением C1, C2 и перекосом маятникаОднако в случае перекоса оси вращения маятника и наличии осевого зазора (на рис. 5.6 маятник перемещается в направлении стрелки Б) может возникнуть изменение площади перекрытия пластин S. Поэтому ось вращения маятника должна быть перпендикулярна неподвижным элек- тродам 2, 2' (3, 3'), а сами электроды должны быть параллельными.Схема лабораторной установки приведена на рис. 3.3. Аддитивная со- ставляющая погрешности датчика устраняется за счет дифференциального включения емкостей датчика С1, С2  в емкостно-диодную измерительную схему, подобную схеме [9].Емкостно-диодная измерительная схема размещена непосредственно в датчике. На операционном усилителе DA1 выполнен генератор частотой примерно 100 кГц; с операционного усилителя DA2  снимается выходной сигнал  датчика  Uвых   в  виде  напряжения  постоянного  тока  в  диапазоне±10 В. Питание лабораторной установки осуществляется напряжением по-стоянного тока ±15 В.Контрольные приборы: персональный компьютер с многофункцио- нальной платой NI-6281, установка для ввода угла крена от 0 до 900 (цена деления 20) и угла тангажа от 0 до 300 (цена деления 10).