结构推理 如图所示为二极管环形检波测量电路用于电容式液位测量系统。图中、、、为二极管,设正向电阻为零,反向电阻为无穷大;传感器电容为; H为待测液位;为旁路电容,并满足、;为调零电容,并且;M为输出电流指示表。试分析其工作原理,并写出输出输入特性方程。
【正确答案】解:由于,,当与、串联时,可以忽略。当输入高频脉冲方波由低电平跃升到高电平时,电容和两端电压均由充电到。充电电流分两路,一路由A点经到E点,再经到地;另一路由A点经和电流表M到B点,再经到F点,最后经到地。此时和由于反向偏置而截止。在输入高频脉冲方波高电平期间由A点向B点流动的电荷量为 当输入高频脉冲方波由返回时,电容和均放电。在放电过程中,与截止,经到B点、再经和电流表M至A点放电,经至A点放电。因而在输入高频脉冲方波低电平期间由B点流向A点的电荷量为 根据上述充、放电过程分析可知,充、放电电流经过电容和电流表M时方向相反。所以当充、放电电流相等时,电流表M中不产生直流分量的电流,而当充、放电电流不相等时,由B点流向A点的电流将产生直流分量,由于电容的通交流、隔直流作用,该直流分量将流经电流表M,其大小可以反映液位的变化。 对于图示测量原理,假设被测液体相对介电常数为,传感器电容内电极的有效长度为L,内电极半径为r,外电极内半径为R,则传感器电容量的表达式为 式中,为传感器的初始电容;为常数。 当液面在电容传感器零位,即H=0时,调整调零电容,使,从而使电流表M指零。当时,,电流表M的指针将发生偏转。 当时,由上述分析可知,在输入高频脉冲方波的一个周期内,由B点流向A点的净电荷量为 设输入高频脉冲方波的频率为f,周期,可得电流表M中电流的平均值为 由上式可以看出,此电路中若输入高频脉冲方波的频率f及其幅值差为定值,则电流表中的电流平均值与待测液位H成正比。
【答案解析】