電容式位移傳感器地設計

1、課程設計設計名稱:電容式位移傳感器的設計專業(yè)班級:姓 名:學 號:指導教師:XXXX年XX月寸錄一、設計要求3二、電容傳感器工作特性3三、電容傳感器的優(yōu)缺點3四、基本原理3五、設計分析4六、消除和減少寄生電容的影響5七、轉換電路的設計6八、差動放大電路8九、相敏檢波器系統(tǒng)工作及原理9十、心得體會11十一、參考文獻12十二、附錄131、設計要求:設計差動變面積式電容位移傳感器，要求規(guī)定的設計參數(shù)。1、測量范圍（mrh： 0± Imn；2、線性度（%FS : 0.5 ;3、分辨率（卩m） : 0.01 ;4、靈敏度（PF/mrj）:5、通過理論設計、結構設計、理論分析等過程設計傳感器結構

2、和測量電路，畫 出結構示意圖和測量電路圖，并進行參數(shù)計算。利用參數(shù)和結構來選擇合理的 方法消除或減少寄生電容的干擾影響。 結合傳感器實驗平臺，確定傳感器的靜態(tài) 靈敏度和線性范圍，并設計電容傳感器的電子秤應用實驗。2、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。相對與其他傳感器來說，電容式 傳感器的溫度穩(wěn)定性好，其結構簡單，易于制造，易于保證高的精度，能在高 溫、低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣環(huán)境條件下工作，適應性強；它的靜電 引力小，動態(tài)響應好，可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等； 它能夠實現(xiàn)非接觸測量，在被測件不能受力，或高速運動，或表面不連接，或 表面不允許劃傷

3、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；當采用非接觸測量時，電容傳感器具有平均效應，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，由于在空氣等介質中損耗小，采用差動結構并連接成 橋式電路時產(chǎn)生的零點殘余電壓極小，因此允許電路進行高倍率放大，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 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系。3、電容傳感器的優(yōu)缺點精彩文檔優(yōu)點：1. 其溫度穩(wěn)定性好：電容傳感器的電容值一般與電極材料無關，僅取決于電機的 幾何尺寸和介質，且

4、空氣介質等介質損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機 械特性考慮，合理選擇材料和結構尺寸即可，電容傳感器工作室本身發(fā)熱極小， 影像穩(wěn)定性甚微。2. 結構簡單且適應性強：電容傳感器的結構簡單，易于保證高的精度。一般用金 屬做電極，無機材料做絕緣支架，可以做得非常小巧。在高溫、低溫、強輻射及 強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下都能正常工作。3. 靜電力小。憂郁極板間存在著靜電場，因此極板上作用著靜電引力或靜電力矩。 一般來說，這種景點引力是很小的，因此只有對推動力很小的彈性敏感元件，才 須考慮因靜電考慮靜電引力造成的測量誤差。4. 動態(tài)響應好：由于極板間的靜電引力小，需要的作用能亮極小，因此其固有頻 率

5、很高，動態(tài)響應時間短5. 可實現(xiàn)非接觸測量并且有平均效應。在被測件不能受力或高速運動等不允許接 觸測量的情況下，電容傳感器可以完成測量任務。但是電容式傳感器的一些缺點也是不可忽視的：1. 輸出阻抗高并且負載能力差電容式傳感器的容量受其幾何尺寸等限制，不易 做的太大，使傳感器的輸出阻抗很高，因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影 響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取平屏蔽措施，從而給設計 和使用帶來不便。容抗還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高， 否則絕緣部分將作 為旁路電阻而映像儀器的性能，為此還要特別注意周圍環(huán)境如濕度、清潔度等。若采取高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠

6、比低頻的復雜，且寄生電容影響大，不宜保證工作的穩(wěn)定性。2. 寄生電容影響大：傳感器的初始電容很小，而傳感器的引線電纜電容（12m導線電纜電容可達800pF）測量電路的雜散電容以及傳感器極板與周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度，另一方面這些 電容常常是隨機變化的，使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度。因此對電纜的選 擇、安裝、接法都有嚴格的要求，例如采取屏蔽性好、自身分布電容小的導線作 為引線，引線粗而短，要保證儀器的雜散電容小而穩(wěn)定等，否則不能保證高的測 量精度。4、基本原理風創(chuàng)J C2 一迪利用電容C=£ A/d和其它結構的關系式通過相應的結構和測量電

7、路可以選擇£、A、 d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，U可以有測谷物干燥度 變)、測位移(d變)和測量液位(A變)等多種電容傳感器。本實驗采 用的傳感器為圓筒式變面積差動結構的電容式位移傳感器，如下圖所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設圓筒的半徑為R圓柱的半徑為r ;圓柱的長 為x，則電容量為C=£ 2x/ln(R /r)。圖中C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產(chǎn)生 ? X 位移時，電容量的變化量為？ C=CJ C2=£ 2 2 ? X/ ln(R / r)，式中& 2、ln(R / r)為常數(shù)，說明？ C與位移？ X成正比，配上

8、配套測量電路就能測量位移。5、設計分析本文主要是設計差動變面積式電容位移傳感器，以及測量電路的設計。利用電容式傳感器非接觸測量的特性，測量微小位移的變化，由于位移的變化引起電容的 變化，將電容的變化量轉換成電壓的變化， 由電壓的變化測出位移的變化量。 本 設計主要目的是如何利用設計的差動變面積式位移傳感器與轉換原件，盡量消 除外界干擾引起的誤差，高精度測出位移的變化量。圖1.差動電容簡圖圖1為差動式圓柱形電容傳感器的原理簡圖，此傳感器由三個圓柱形電容極板組 成，中間為氣體介質，兩兩構成電容器。當中間的極板上下移動式，它與上下兩 個極板組成的電容器的面積就會改變，當中間電容極板向上移動時，與上邊

9、極板 間面積增大，與下極板間面積減小；反之，當中間極板向下運動時，與上極板面 積減小，與下極板間的面積增大。所以導致兩個柱形電容總能保持一個增大一個 減小的狀態(tài)，由此構成了差動電容。圓柱式電容的計算公式為 C=2冗& X 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 重疊部分長度x發(fā)生變化時，電容的變化量為2jrsL 2jtsxln(D/d) ln(D/d)2ir£(L-x)fn(D/d)ln(D/d)靈敏度為 K C/ x 2ne / In (D/d)設計一個圓柱式差動變面積電容位移傳感器測量大位移，可以測量0± 1mm

10、勺距離，傳感器由兩組定片盒一組動片組成。當動片上、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)生相應變化，成為差動電容。將上層定片與 動片形成的電容定位Cxi,下層定片與動片形成的電容定為 Cx2當Cxi和Cx2接入橋路作為相鄰臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關， 即與動片的位移 有關。6消除和減少寄生電容的影響 在電容式傳感器的設計中，受到結構尺寸的限制影響，其自身電容量都很?。◣?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。傳感器實用性的關

11、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，結構條件因素限制。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)定，但這種傳感器收高， 低溫或環(huán)境差的影響。3運算放大器法利用運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的一個電極 經(jīng)電纜芯線接運算放大器的虛地刀點，電纜的屏蔽層接儀器，這時與傳感器電容 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

12、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。選擇足夠大勺A值以確保足夠的測量精度。4采用“電纜驅動”技術當電容式傳感器的容值很小，而且因為某些原因，測量電路只能與傳感器分開 時，可采用電纜驅動技術，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。采用這種技術可是電纜線長達10m 之遠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7、轉換電路的設計電容傳感器可以把位移等被測量轉換成電容量

13、 C,電容傳感器的電容變化量 通常非常小（一般為幾十PF,如此微小的電容量不便于直接測量和傳輸，因此需要將電容量C進一步轉換成易于數(shù)據(jù)處理的電壓或電流信號， 將電容量轉換 成電量的電路稱作電容式傳感器的轉換電路，本文采用電橋電路作為轉換電路。電橋電路電橋法轉換電路主要有普通交流電橋電路、 緊耦合電感臂電橋電路、變壓器 式電橋電路和雙T二極管電橋電路。下圖所示為雙T二極管電橋電路原理圖。其中，U0為高頻電源，提供對稱方 波D1、D2是兩個特性相同的二極管，R和F2是固定電阻，且Ri=R=R,G、C2為差動電 容傳感器的兩個差動電容（對于單電容工作的傳感器，可以選擇其中之一為固定 電容，另一個為傳

14、感器電容）。t1VTDi冊1u（）w''C|Rr Q.JM19 XKT一扱管電析電路原理圖電路工作原理為：當電源Ub正半周時，二極管D導通，D2截止，電路可等效為下 圖（a）所示電路，此時C充電，C2放電，流經(jīng)R的電流If為電源U0供電電流If 和C2放電電流12之和；當電源U0為負半周時D截止，D2導通，等效電路如下圖（b） 所示，此時G放電，C2充電，流經(jīng)R的電流I f為電源U供電電流丨2和C放電電 流I i'之和。Ki1(b)由于Di、D2特性相同，且Ri=R，因此當G=C （即傳感器極板位于中間位置，沒有 位移輸入）時，If與Ii'的平均值大小相等，方向

15、相反，在一個周期內(nèi)流過 R的 平均電流為零，即R上無電壓輸出；當G或C2發(fā)生變化時，R上平均電流不為零， 有電壓輸出，輸出電壓為-c2)=-c2)直中 K =A/為常數(shù).f為電豫頻率“式4.3表明，該電路的靈敏度與電源電壓 U0的幅值和頻率f有關，因此，為保證 電路輸出的穩(wěn)定性，采用的電源需要同時穩(wěn)頻、穩(wěn)壓。該電路的最大優(yōu)點是將 D、D2、Ri、F2安裝在C、C2附近可以消除電纜寄生電容的影響，同時電路簡單， 不需要附加其他相敏整流電路便可得到較高的輸出電壓。該電路常用來測量高速的機械運動。8、差動放大電路差動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 減小由于電源波動和晶

16、體管隨溫度變化多引起的零點漂移，因而獲得廣泛的應 用。特別是大量的應用于集成運放電路，他常被用作多級放大器的前置級?；静顒臃糯箅娐酚蓛蓚€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信號的輸入，這兩個信號的差值，為電路有效輸入 信號，電路的輸出是對這兩個輸入信號之差的放大。設想這樣一種情景，如果 存在干擾信號，會對兩個輸入信號產(chǎn)生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號 的有效輸入為零，這就達到了抗共模干擾的目的。差動放大電路的基本形式對電路的要求是：兩個電路的參數(shù)完全對稱兩個 管子的溫度特性也完全對稱。差動放大電路的工作原理當輸入信號Ui=0時，貝U兩管的電流相等，兩管的集點極電位也

17、相等，所以 輸出電壓UO=UO1-UO2=0溫度上升時，兩管電流均增加，貝U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。差動放大電路的放大作用（輸入信號有兩種類型）(1)共模信號及共模電壓的放大倍數(shù) Auc共模信號-在差動放大管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。于是差動電路對稱時， 對共模信號的抑制能力強。(2)差模信號及差模電壓放大倍數(shù) Aud 差模信號-在差動放大管T1和 T2的基極分別加入幅度

18、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：此時的兩管基極的信號為： 所以：，由此我們可以看出差動電路的差模電壓放大倍數(shù)等于單管電壓的放大倍 數(shù)。當對差動電路的兩個輸入端加上一對大小相等、相位相反的差膜信號，這事第 一個管的射級電流增大，第二個管的射級電流減小，且增大量和減小量時時相等。 另外，由于輸入差膜信號，兩管輸出端電位變化時，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),丄卩(R/RJ- ±這種方式適用于將差分信號轉換為單端輸出的信號差模輸入電阻輸出電阻

19、共模放大倍數(shù)9、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，輸出相位可調的、與輸入信號同頻的占空 比為1:1的方波；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。相敏檢波器是相關檢測的核心部件他決定了測試系統(tǒng)的準確度 以及弱信號的檢測水平。它的作用有兩個：一是抑制噪聲，二是實現(xiàn)對正弦信 號或調幅信號進行幅值和相位的檢測。(應當指出：相關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

20、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，則首先必須調制成頻域 信號，才能進行后續(xù)的相關檢測。)電路結構A1為零電壓比較器；D為檢波二極管；3DJ7J為場效應管電子開關；A2 差動放大器，對信號進行放大與合成。A1、A2均采用具有雙運放的集成芯片LF353N。工作原理參考信號u r ( 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，為場效應管3DJ 7J提供柵源偏置電壓，控制電子開關的動作，決定場 效應管漏極信號u3 ( t)。由場效應管工作原理知:«X0o_3

21、DJ7J居 2.2kfl4二(o, r/2)(r/2, r)(1)差放A 2對信號us ( t) 和u3 ( t)進行合成，得到相敏檢波器輸出信號u 0(t)，其表達式為：UO(/' =當場效應管截止時，運放A 2工作在跟隨狀態(tài)；當場效應管導通時，A2工作在反相放大狀態(tài)。驗證測量時取 Rf= R 4 。把式(1)代入式(2)中，得：Hr(/)(0, T/2)M0(/)= f(3)I - uM(r/2, t)由式(3)知，從相敏檢波器輸出信號 u 0( t) 中得到了被測信號us ( t)。 對上述相敏檢波器電路進行性能測試，通過調整 R f可以改變運放A 2對信號 放大的幅度，測試波形

22、如圖3所示。對應圖1,再對u 0( t)進行直流放大，即 可取其直流分量U 0，從而得到被測信號幅值 U s (因為在相關檢測技術中， 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)實際驗證， 所設計的相敏檢波器電路達到了預期目的。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該能使所有低于截止頻率的信號無損通過，而所有高于截止頻率的信號都應該被無限的衰減， 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現(xiàn) 的，所有的設計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。雖然逼近函數(shù)多種多樣，但是考慮到實際電路的 使用需求，我們通