检测与转换技术：3-1 电容式传感器

1、11 、调制解调的功用与类型(概念)（1）在检测系统中为什么要采用信号调制？）在检测系统中为什么要采用信号调制？ 在检测系统中，进入检测电路的除了传感器在检测系统中，进入检测电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是检测电路的一项重要任噪声的信号中分离出来是检测电路的一项重要任务。为了务。为了便于区别信号与噪声便于区别信号与噪声，往往给测量信号，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用赋予一定特征，这就是调制的主要功用。2（

2、2）什么是信号调制？）什么是信号调制？ 调制调制就是用一个信号（称为就是用一个信号（称为调制信号调制信号）去控）去控制另一个做为载体的信号（称为制另一个做为载体的信号（称为载波信号载波信号），让），让后者（后者（载波信号载波信号）的某一特征参数按前者（）的某一特征参数按前者（调制调制信号信号）变化。）变化。 （3）什么是解调？）什么是解调？ 在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中大等处理后，还要从已经调制的信号中提取提取反映反映被测量值的测量信号，这一过程称为被测量值的测量信号，这一过程称为解调解调。3调制解调电路的作用：

3、调制解调电路的作用：2022-3-14452、调制的种类、调制的种类6a) a) 幅度调制幅度调制(AM)(AM)( )*( )cos(2)tAtx tyfb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)0( )cos()*2 ( )fy tAttxc) c) 相位调制相位调制(PM(PM)0( )cos( )*2)y tAftx t2022-3-147（1）幅度调制）幅度调制 用被调制信号用被调制信号 去控制高频载波信号去控制高频载波信号 的幅值，得到调幅波的幅值，得到调幅波 设载波信号为：调幅信号的一般表达式可写为：调幅信号波形 如下 ( )x t( )cu t( )su t( )cos(2)

4、cu tAft( )( )cos(2)su tx tfAt8 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。信号。 例：交流电桥例：交流电桥VinVoR1R3R2R4max0cos2UUf tmax0cos2UUf t幅度调制实例9 应变电阻的电阻变化量和被测外力引起的应变应变电阻的电阻变化量和被测外力引起的应变 之间之间的关系为：的关系为：式中，式中，S：应变片的灵敏度系数；：应变片的灵敏度系数； R：应变片初

5、始电阻值。：应变片初始电阻值。所以有：所以有： 上式表明，载波信号上式表明，载波信号 经电桥调幅后，输出的信号经电桥调幅后，输出的信号 幅值为幅值为 ，即余弦载波信号的幅值被应变，即余弦载波信号的幅值被应变 所所调制。而且随着调制信号调制。而且随着调制信号 正负半周的改变，调幅波的正负半周的改变，调幅波的相位也随着改变：当调制信号相位也随着改变：当调制信号 为正时，调幅波与载波为正时，调幅波与载波同相；当同相；当 为负时，调幅波与载波反相。为负时，调幅波与载波反相。 ( ) t( )RStRmax0.25( )SUt( ) t( ) t( ) t( ) t0max01( )cos24USUtf

6、 t&U&0U&10载波信号：载波信号：由一列占空比不同的矩形脉冲构成由一列占空比不同的矩形脉冲构成。脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路：（2）脉冲宽度调制）脉冲宽度调制调制电路调制电路开关（相乘）调制电路开关（相乘）调制电路uxuoUcT2T1Uc uotO Uc OttO ux00011021021)(,)(,xcxxcUUTTUUUUTTU导通，截止，截止，导通，相加型调幅电路相加型调幅电路 为了提高调制线性，电路要求为了提高调制线性，电路要求UcmUxm,这时二极管这时二极管D1和和D2受受uc控制，工作在开关状态。控制，工作在开关状态。 i l(uc+ux)K(

7、ct )r i2(uc-ux) K(ct ) r 式中式中 r为二极管的内阻与负载为二极管的内阻与负载RL折合到原边的等效电阻之和。折合到原边的等效电阻之和。 K(ct )为归一化的方波信号展开系数。为归一化的方波信号展开系数。T1+ ux -+ ux -+ uc - -VD1i1VD2i2载波信号载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号调制信号 由上两式得由上两式得ttrUnttrUntrUntttrUnrtKuniinicxmcxmxmccxmcx334433222122333332133coscoscoscoscos)coscos(cos/ )()(式中式中n3为变压器的变比。为变压

8、器的变比。 （3）频率调制）频率调制-测量中常用的调频方法测量中常用的调频方法 1）直接调频：被测参量变化直接引起传感器）直接调频：被测参量变化直接引起传感器输出信号频率的变化，如振弦式传感器；输出信号频率的变化，如振弦式传感器； 2）参数调频：将传感器线圈、电容或电阻接）参数调频：将传感器线圈、电容或电阻接在一定震荡回路中，这样被测参数变化就会引在一定震荡回路中，这样被测参数变化就会引起振荡器频率的变化，输出调频信号；起振荡器频率的变化，输出调频信号； 3）电压调频：用电压控制振荡回路的参数）电压调频：用电压控制振荡回路的参数R、L、C。2022-3-14153 3、 解调原理解调原理解调器

9、不仅解调器不仅能将交流输能将交流输入电压变成入电压变成与其幅值成与其幅值成正比的直流正比的直流电压信号，电压信号，而且还能反而且还能反映交流输入映交流输入电压的相位电压的相位变化。变化。 2022-3-1416a). a). 包络检波包络检波 只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调，这种方法称为包络检波包络检波。 基于整流原理。4 4、 解调方法解调方法- -包络检波和相敏检波包络检波和相敏检波基本电路基本电路二极管与三极管包络检波二极管与三极管包络检波C1VDRLC2Ti+us_+uo_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器C1(a) 二极管检波电路二极管检波电路VRLC2Tic+us

10、_+_非线性非线性 器件器件 低通低通滤波器滤波器uoEc(b) 晶体管检波电路晶体管检波电路 图图 包络检波电路包络检波电路 图图(a)采用二极管作为整流用非线性元件，图采用二极管作为整流用非线性元件，图(b)采用晶体管。采用晶体管。为了获得调制信号，还要用滤波器滤除载波分量。为了获得调制信号，还要用滤波器滤除载波分量。2022-3-1418b). 相敏检波相敏检波 包络检波有两个问题：包络检波有两个问题： 一是无法鉴别调制信号的相位。一是无法鉴别调制信号的相位。 二是不具有区分不同载波频率的信号的二是不具有区分不同载波频率的信号的能力。能力。 相敏检波电路是具有相敏检波电路是具有鉴相和选频

11、鉴相和选频能力的能力的检波电路。检波电路。相敏检波输出波形图相敏检波输出波形图tuoOuoOtucOtusOtuxOt相敏检波电路输出波形相敏检波电路输出波形双边带调幅双边带调幅半波相敏检波半波相敏检波全波相敏检波全波相敏检波载波信号载波信号调制信号调制信号相敏检波电路的选频与鉴相特性相敏检波电路的选频与鉴相特性 1. 相敏检波电路的选频（鉴频）相敏检波电路的选频（鉴频） 方法：微分鉴频、斜率鉴频、相位鉴频。方法：微分鉴频、斜率鉴频、相位鉴频。 2. 相敏检波电路的鉴相相敏检波电路的鉴相 什么是相敏检波电路的鉴相特性？什么是相敏检波电路的鉴相特性？ 如果输入信号如果输入信号us为与参考信号为与

12、参考信号uc(或或Uc)同频同频信 号 ， 但 有 一 定 相 位 差 ， 这 时 输 出 电 压信 号 ， 但 有 一 定 相 位 差 ， 这 时 输 出 电 压uo=Usmcos，即输出信号随相位差，即输出信号随相位差的余弦而变的余弦而变化。化。 由于在输入信号与参考信号同频但有一定由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。鉴相特性。 5、解调电路-相敏检波电路

13、v当当 时时,G,G截止，截止，N1N1的放大倍数为：的放大倍数为： v当当 时，时，G G导通，导通，N1N1的放大倍数为：的放大倍数为： 13511.730WVRAR 13411WWVRRARR ( )0u t ( )0u t 假如栅极没有被连上假如栅极没有被连上的话，的话，N沟道就像一沟道就像一个个电阻电阻一样。也就是一样。也就是说在栅极没有电压的说在栅极没有电压的情况下结型场效应管情况下结型场效应管是是导电导电的。假如栅极的。假如栅极与源极连在一起，而与源极连在一起，而源极和漏极之间加上源极和漏极之间加上了了UDS的的电压电压的话那的话那么流过沟道的电流随么流过沟道的电流随电压不断提高

14、，直到电压不断提高，直到沟道被最大夹断位置。沟道被最大夹断位置。 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管电容式接近开关电容式接近开关电容式压力电容式压力变送器变送器电容式差压传感器电容式差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器硅微压力硅微压力电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关在物位测量电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示控制中的使用演示电容式指纹传感器电容式指纹传感器1-汽油 2-变介质型电容式传感器 3-交流伺服电机 4-减速器 5-仪表盘图 汽车油箱油量计原理示意图 右图是一种变极板间介质的右图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。的结构原理图。 设被测介质的介电常数为设被测介质的介电常数为1, 液面高度为液面高度为h, 变换器总高度为变换器总高度为H, 内筒外