差動(dòng)變面積式電容位移傳感器

1、實(shí)用文檔燕山大學(xué)傳感器設(shè)計(jì)說明書課題名稱：差動(dòng)變面積式電容位移傳感器 班 級： 指導(dǎo)老師： 學(xué)生姓名：摘要設(shè)計(jì)差動(dòng)變面積式電容位移傳感器，要求規(guī)定的設(shè)計(jì)參數(shù)。1、測量范圍（mr） : 0± 1mm 2、線性度（FS : 0.5 ; 3、分辨率（卩 r）： 0.01 ; 4、靈敏度（PF/mm : 2.3。通過理論設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 理論分析等過程設(shè)計(jì)傳 感器結(jié)構(gòu)和測量電路，畫出結(jié)構(gòu)示意圖和測量電路圖， 并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。利用參數(shù)和結(jié)構(gòu)來選擇合理的方法消 除或減少寄生電容的干擾影響。結(jié)合傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 確定傳感器的靜態(tài)靈敏度和線性范圍，并設(shè)計(jì)電容傳感 器的電子秤應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。一 電容傳感器

2、工作特性二 設(shè)計(jì)要求：三 設(shè)計(jì)原理：四 消除和減少寄生電容的影響五 差動(dòng)放大電路六 相敏檢波器系統(tǒng)工作及原理七 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)八 心得體會(huì)九 參考文獻(xiàn)電容傳感器工作特性電容式傳感器具有靈敏度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)。相對與其他傳 感器來說，電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，其結(jié)構(gòu)簡單，易于制 造，易于保證高的精度，能在高溫、低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各 種惡劣環(huán)境條件下工作，適應(yīng)性強(qiáng)；它的靜電引力小，動(dòng)態(tài)響應(yīng) 好，可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等；它 能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測量，在被測件不能受力，或高速運(yùn)動(dòng)，或表面 不連接，或表面不允許劃傷等不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(wù)；當(dāng)采用非接

3、觸測量時(shí)，電容傳感器 具有平均效應(yīng)，可以減少工件表面粗糙度等對測量的影響。因其 所需的輸入力和輸入能量極小，因而可測極低的壓力、很小的加 速度、位移等，由于在空氣等介質(zhì)中損耗小，采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)并連 接成橋式電路時(shí)產(chǎn)生的零點(diǎn)殘余電壓極小，因此允許電路進(jìn)行高 倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度，分辨力高，能敏感0.01卩m 至更小的位移。本課題采用差動(dòng)變面積式電容位移傳感器，線 性的反映電容和位移的變化關(guān)系。設(shè)計(jì)差動(dòng)變面積式電容位移傳感器，要求規(guī)定的設(shè)計(jì)參數(shù)1 、測量范圍（ mm）：0± 1mm；2、線性度（ %Fs）：0.5 ；3、分辨率（卩m： 0.01 ；4、靈敏度（ PF/mm）：5

4、、通過理論設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 理論分析等過程設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)和 測量電路，畫出結(jié)構(gòu)示意圖和測量電路圖，并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。利 用參數(shù)和結(jié)構(gòu)來選擇合理的方法消除或減少寄生電容的干擾影 響。結(jié)合傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 確定傳感器的靜態(tài)靈敏度和線性范圍， 并設(shè)計(jì)電容傳感器的電子秤應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。三 設(shè)計(jì)原理：測量電路圖Cxl ICx；電容設(shè)計(jì)圖圓柱式電容的計(jì)算公式為In (D/d)式中：x為內(nèi)、外電極重疊部分的長度；D d分別為外電極內(nèi)徑 與內(nèi)電極外徑。當(dāng)重疊部分長度x發(fā)生變化時(shí)，電容的變化量為AC = C0 -C =2 neL 2 nex 2 ne (Lx) 2 neAxIn (D/d)In (D/d)In (D/

5、d) In (D/d)靈敏度為Ax In (D/d)設(shè)計(jì)一個(gè)圓柱式差動(dòng)變面積電容位移傳感器測量大位移， 可以測量0± 1mm勺距離，傳感器由兩組定片盒一組動(dòng)片組成。 當(dāng)動(dòng)片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變化， 極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。將上層定片與動(dòng)片形 成的電容定位CXi，下層定片與動(dòng)片形成的電容定為 G2,當(dāng)G1和 CX2接入橋路作為相鄰臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有 關(guān)，即與動(dòng)片的位移有關(guān)。電容剖面圖采用變壓器電橋?qū)㈦娙葑兓D(zhuǎn)化為電壓變化。變壓器電橋的兩個(gè)平衡臂是變壓器的次級繞組，另兩個(gè)為差 動(dòng)電容傳感器的電容。橋路的輸出電壓為UoCxi二 EC

6、x1 +Cx2E _ E( 2Cxi22 Cxi ' Cx2Cxi - Cx2Cx1 ' Cx2ACo電容的相對變化即為動(dòng)片位移的相對變化2 ncAxAC ln(D/d) _ AxC 2 nex xIn (D/d)所以，電橋的輸出電壓可以寫為E Ax*2 xE Ax*2 Lo差動(dòng)電容傳感器的變化量相對于具有一個(gè)動(dòng)片、靜片的位移傳感 器來說多一倍AC 二Cx1 - Cx2其線性度要有所提高，靈敏度為 C4 neK = x In (D/d)靈敏度要求為 所以，可以令2.3PF/mm e =8.85PF/mrr，可求得 D/d=10.50.D=3.5mm d=0.348mm四消除和減

7、少寄生電容的影響 在電容式傳感器的設(shè)計(jì)中，受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制影響，其自身 電容量都很小(幾皮法至十幾皮法)，屬于小功率高阻抗原件，因 此對寄生電容干擾非常敏感，并且寄生電容與傳感器的電容相并 聯(lián)，影響傳感器靈敏度等硬性參數(shù)，而它的變化則為虛假信號， 影響儀器的精度。傳感器實(shí)用性的關(guān)鍵就是減小并消除寄生電容的影響。1增加傳感器初始電容值采用減小極片或極筒間的間距，增加工作面積來增加電容初始 值，單該方法收加工及安裝及裝配工藝，精度，示值范圍，擊穿 電壓，結(jié)構(gòu)條件因素限制。2集成化將傳感器與測量電路本身或前置級裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減少而且固定不變，是儀器 工作穩(wěn)

8、定，但這種傳感器收高，低溫或環(huán)境差的影響。3運(yùn)算放大器法利用運(yùn)算放大器的虛地減少引線電纜寄生電容 Cl，電容的傳 感器Cx的一個(gè)電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地刀點(diǎn)， 電纜的 屏蔽層接儀器，這時(shí)與傳感器電容相串聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1+A),大大減少了電纜電容的影響，外界干擾因屏蔽層接儀器 地，對芯線不起作用。傳感器的另一電極接大地，用來防止外來 電廠的干擾。若采用雙層屏蔽層電纜，其外層屏蔽鞥接大地，干 擾影響就更小。開環(huán)放大倍數(shù) A越大，精度越高。選擇足夠大的 A值以確保足夠的測量精度。4 采用“電纜驅(qū)動(dòng)”技術(shù)當(dāng)電容式傳感器的容值很小，而且因?yàn)槟承┰?，測量電路 只能與傳感器分開時(shí)，可采

9、用電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即傳感器與測量電 路前置級間的引線為雙層屏蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線之 間的電容。采用這種技術(shù)可是電纜線長達(dá) 10m之遠(yuǎn)也不影響儀器 的性能。此外，還可以采用整體屏蔽法以及防止和減小外界干擾給儀器 帶來的誤差和故障。五差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路又叫差分電路，他不僅能有效的放大直流信號， 而且能有效的減小由于電源波動(dòng)和晶體管隨溫度變化多引起的零 點(diǎn)漂移，因而獲得廣泛的應(yīng)用。特別是大量的應(yīng)用于集成運(yùn)放電 路，他常被用作多級放大器的前置級?；静顒?dòng)放大電路由兩個(gè)完全對稱的共發(fā)射極單管放大電路 組成，該電路的輸入端是兩個(gè)信號的輸入，這兩個(gè)信號的差值， 為電路有效輸入信號，電路的輸出是

10、對這兩個(gè)輸入信號之差的放 大。設(shè)想這樣一種情景，如果存在干擾信號，會(huì)對兩個(gè)輸入信號 產(chǎn)生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號的有效輸入為零，這 就達(dá)到了抗共模干擾的目的。差動(dòng)放大電路的基本形式對電路的要求是：兩個(gè)電路的參數(shù) 完全對稱兩個(gè)管子的溫度特性也完全對稱。差動(dòng)放大電路的工作原理當(dāng)輸入信號Ui=O時(shí)，則兩管的電流相等，兩管的集點(diǎn)極電位 也相等，所以輸出電壓UO=UOi-Uq2=Oo溫度上升時(shí)，兩管電流均增 加，則集電極電位均下降，由于它們處于同一溫度環(huán)境，因此兩 管的電流和電壓變化量均相等，其輸出電壓仍然為零。差動(dòng)放大電路的放大作用（輸入信號有兩種類型）"+VCC(1) 共模信號及

11、共模電壓的放大倍數(shù)Auc共模信號-在差動(dòng)放大管T1和T2的基極接入幅度相 等、極性相同的信號。共模信號的作用，對兩管的作用是同向的，將引起兩管電流同量的增加，集電極電位也同量 減小，因此兩管集電極輸出共模電壓UOc為零。于是差動(dòng)電路對稱時(shí)，對共模信號的抑制能力強(qiáng)。(2) 差模信號及差模電壓放大倍數(shù) Aud差模信號-在差動(dòng)放大管T1和T2的基極分別加入幅度相等 而極性相反的信號。差模信號的作用，由于信號的極性相反，因此T1管集電極電 壓下降，T2管的集電極電壓上升，且二者的變化量的絕對值相等， 因此：此時(shí)的兩管基極的信號為：所以：，由此我們可以看出差 動(dòng)電路的差模電壓放大倍數(shù)等于單管電壓的放大倍

12、數(shù)。當(dāng)對差動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端加上一對大小相等、相位相反的 差膜信號，這事第一個(gè)管的射級電流增大，第二個(gè)管的射級電流 減小，且增大量和減小量時(shí)時(shí)相等。另外，由于輸入差膜信號， 兩管輸出端電位變化時(shí)，一端升高。另一端則降低，且升高量等 于降低量。差模放大器的放大倍數(shù)心-八這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號差模輸入電阻Rid = 2(R b - rbe)輸出電阻Ro二Rc共模放大倍數(shù)AucR'l_2Re六相敏檢波器系統(tǒng)工作及原理信號通道把輸入的被測信號選頻放大(初步濾除噪聲)后， 輸給相敏檢波的一端；參考通道在參考信號的觸發(fā)下，輸出相位 可調(diào)的、與輸入信號同頻的占空比為1:1的方波

13、；相敏檢波器比 較兩路信號后輸出直流信號；直流放大器經(jīng)低通濾波和進(jìn)一步放 大后，輸出直流信號，其幅度與兩路輸入信號幅度和他們的相位 差成正比。相敏檢波器是相關(guān)檢測的核心部件他決定了測試系統(tǒng) 的準(zhǔn)確度以及弱信號的檢測水平。它的作用有兩個(gè)：一是抑制噪 聲，二是實(shí)現(xiàn)對正弦信號或調(diào)幅信號進(jìn)行幅值和相位的檢測。(應(yīng)當(dāng)指出：相關(guān)檢測用于測量深埋于噪聲中的、微弱的頻域信號，由于是基于頻域相干檢測原理，它處理的信號，必須是某一頻率 的周期函數(shù)。若原來的被測信號是緩變信號，則首先必須調(diào)制成 頻域信號，才能進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)檢測。)電路結(jié)構(gòu)A為零電壓比較器；D為檢波二極管；3DJ7J為場效應(yīng)管電子開關(guān)； A差動(dòng)放大器

14、，對信號進(jìn)行放大與合成。 A、A2均采用具有雙運(yùn)放 的集成芯片LF353N。工作原理參考信號u( t)經(jīng)A 1和D組成的整形電路后的輸出u1 ( t) 是與被測信號us ( t)同頻、同相，占空比1 : 1的方波。此方 波信號是控制電路電流流通的開關(guān)，為場效應(yīng)管3DJ 7J提供柵源偏置電壓，控制電子開關(guān)的動(dòng)作，決定場效應(yīng)管漏極信號u3(t)。由場效應(yīng)管工作原理知：磯 2.2kQrTM耐22M3DJ7J心(05 T/2)(r/2, t)(1)差放A 2 對信號us ( t) 和u3 ( t)器輸出信號u 0( t)，其表達(dá)式為:進(jìn)行合成，得到相敏檢波/?4th ( t) +(1 +(f)當(dāng)場效應(yīng)

15、管截止時(shí)，運(yùn)放A 2工作在跟隨狀態(tài)；當(dāng)場效應(yīng)管導(dǎo)通 時(shí)，A 2工作在反相放大狀態(tài)。驗(yàn)證測量時(shí)取R f = R 4。把式(1) 代入式(2) 中，得：wo(f)=(0, T/2)(r/2, T)由式(3)知，從相敏檢波器輸出信號u o ( t) 中得到了被測 信號us ( t) 。對上述相敏檢波器電路進(jìn)行性能測試，通過調(diào)整R f可以改變運(yùn)放A 2對信號放大的幅度，測試波形如圖3所示。對應(yīng)圖1,再對u 0 ( t)進(jìn)行直流放大，即可取其直流分量U 0，從而得到被 測信號幅值U s(因?yàn)樵谙嚓P(guān)檢測技術(shù)中，直流放大器包括低通 濾波器，它主要完成積分與緩變信號放大 )。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，所設(shè) 計(jì)的相敏檢波器電

16、路達(dá)到了預(yù)期目的。ut(r)0 n.5_ U LI LJ L.Wil(niV)r r r 低通濾波器低通濾波器是容許低于截至頻率的信號通過，但高于 截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。理想的低通濾波器應(yīng) 該能使所有低于截止頻率的信號無損通過，而所有咼于截止頻率 的信號都應(yīng)該被無限的衰減，從而在幅頻特性曲線上呈現(xiàn)矩形， 故而也稱為矩形濾波器。遺憾的是，如此理想的特性是無法實(shí)現(xiàn) 的，所有的設(shè)計(jì)只不過是力圖逼近矩形濾波器的特性而已。根據(jù) 所選的逼近函數(shù)的不同，可以得到不同的響應(yīng)。雖然逼近函數(shù)多 種多樣，但是考慮到實(shí)際電路的使用需求，我們通常會(huì)選用“巴 特沃斯響應(yīng)”或“切比雪夫響應(yīng)”?！鞍吞匚炙鬼憫?yīng)

17、”帶通濾波 器具有平坦的響應(yīng)特性，而“切比雪夫響應(yīng)”帶通濾波器卻具有 更陡的衰減特性。所以具體選用何種特性，需要根據(jù)電路或系統(tǒng) 的具體要求而定。但是，“切比雪夫響應(yīng)”濾波器對于元件的變 化最不敏感，而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性（位于通帶的中部），所以在一般的應(yīng)用中，推薦使用“切比雪夫響應(yīng)”濾波器原理圖這是一個(gè)有源濾波器，需要加一個(gè)直流電壓源，一般加 -15V+15V有較好 的效果。電容傳感器的電子秤應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪秒娙輦鞲衅髟O(shè)計(jì)電子秤并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)環(huán)境：示波器和CSY-910型傳感器實(shí)驗(yàn)儀：電容傳感器、電壓放大 器、低通濾波器、F/V表實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過程：1、實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器有多種形

18、式，本儀器中差動(dòng)變面積式。傳感器 由兩組定片和一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝于振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片上、下改 變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生 相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定為 Cxl，下層定片與動(dòng)片形成的電容定為 Cx2,當(dāng)將Cxl和Cx2接入 橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即 與振動(dòng)臺(tái)的位移有關(guān)。將差動(dòng)電容器應(yīng)用于電子秤中，可將差動(dòng)電容器接于電子秤里，可求得電子秤的受力時(shí)的力與位移關(guān)系， 即可求得電子秤的受力與電容的變化關(guān)系，通過電壓表的示數(shù)變 化，可以求得電容的變化，進(jìn)而得到電子秤收到的力2、旋鈕初始位置差動(dòng)放大器增益旋鈕置于中間，F(xiàn)

19、/V表置于2V檔3、實(shí)驗(yàn)步驟（1）根據(jù)圖接線。（2）將FN表打到20V,調(diào)節(jié)測微頭，使輸出為零。（3）轉(zhuǎn)動(dòng)測微頭，每次0.1mm記下此時(shí)測微頭的讀數(shù)及電壓表的 讀數(shù)，直至電容動(dòng)片與上（或下）靜片覆蓋面積最大為止。X(mm)14.4014.3014.2014.1014. 00V( mv)-2.20-2.83-3.39-3.91-4.45X(mm)13.9013.8013.7013.6013.50V（ mv）-5.12-5.74-6.24-6.85-7.40X(mm)13.4013. 3013.2013.1013.00V（ mv）-8.01-8.57-9.21-9.80-10.39X(mm)12.9012.8012.7012.60V（ mv）-10.85-11.63-12.05-12.20(4) 退回測微頭至初始位置。并開始以相反方向旋動(dòng)。同上法,記下X(mm及V(mv)值。X(mm)14.9015.0015.1015.2015.30V (mv)0.030.651.211.742.32X(mm)15.4015.5015.6015.7015.80V (mv)2.833.453.994.505.04X(mm)15.9016.0016.1016.2016.30V (mv)5.526.136.577.087.97X(mm)