差動(dòng)變面積式電容位移傳感器

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(jí)：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(cè)量范圍（mm）:0~±1mm；2、線性度（％Fs）:0.5；3、分辨率（nm）：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(cè)量電路，畫出結(jié)構(gòu)示意圖和測(cè)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)。目錄電容傳感器工作特性設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)原理：消除和減少寄生電容的影響差動(dòng)放大電路相敏檢波器系統(tǒng)工作及原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)心得體會(huì)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(duì)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(jiǎn)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(chǎng)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(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等；它能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量，在被測(cè)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(cè)量的情況下，電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)；當(dāng)采用非接觸測(cè)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(duì)測(cè)量的影響。因其所需的輸入力和輸入能量極小，因而可測(cè)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0.01Um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)要求：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(cè)量范圍（mm）：0~±1mm；2、 線性度（％Fs）：0.5；3、 分辨率（|im）：0.01；4、 靈敏度（PF/mm）：5、 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(cè)量電路，畫出結(jié)構(gòu)示意圖和測(cè)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)。設(shè)計(jì)原理：測(cè)量電路圖XX電容設(shè)計(jì)圖圓柱式電容的計(jì)算公式為2nsx

C=—

ln(D/d)式中：x為內(nèi)、外電極重疊部分的長(zhǎng)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(zhǎng)度x發(fā)生變化時(shí)，電容的變化量為2nsL 2nsx 2ns(L-x) 2nsAx△C=C—C= — = =0ln(D/d)ln(D/d)ln(D/d)ln(D/d)靈敏度為AC 2nsK Axln(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(cè)量大位移，可以測(cè)量0~±1mm的距離，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C，下層定片與動(dòng)片形成的電容定為C，當(dāng)C和c接入橋路作為1相鄰臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有x2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(jí)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-C E E/ 2C EC -C EACTOC\o"1-5"\h\z0C+C 2 2C+C 2C +C 2Cx1x2 x1x2 x1x2 0電容的相對(duì)變化即為動(dòng)片位移的相對(duì)變化2nsAxAC_ln(D/d)_AxC 2nsx xln(D/d)所以，電橋的輸出電壓可以寫為-EAx EAxU= ? = ?——0 2x 2L0差動(dòng)電容傳感器的變化量相對(duì)于具有一個(gè)動(dòng)片、靜片的位移傳感器來說多一倍AC=C-C1x1 X21其線性度要有所提高，靈敏度為“AC 4nsK= =Axln(D/d)靈敏度要求為2.3PF/mm,￡=8.85PF/mm，可求得D/d=10.50.所以，可以令D=3.5mm,d=0.348mm消除和減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(duì)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(hào)，

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(cè)量電路本身或前置級(jí)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)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)算放大器的虛地工點(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(duì)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(cè)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┰颍瑴y(cè)量電路只能與傳感器分開時(shí)，可采用電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即傳感器與測(cè)量電路前置級(jí)間的引線為雙層屏蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線之間的電容。采用這種技術(shù)可是電纜線長(zhǎng)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。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(hào)，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(jí)放大器的前置級(jí)。基本差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對(duì)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(hào)的輸入，這兩個(gè)信號(hào)的差值，為電路有效輸入信號(hào)，電路的輸出是對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)之差的放大。設(shè)想這樣一種情景，如果存在干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號(hào)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(duì)電路的要求是：兩個(gè)電路的參數(shù)完全對(duì)稱兩個(gè)管子的溫度特性也完全對(duì)稱。差動(dòng)放大電路的工作原理當(dāng)輸入信號(hào)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U二U-U=0。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(hào)有兩種類型）(1)共模信號(hào)及共模電壓的放大倍數(shù)Auc共模信號(hào)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(hào)。 共模信號(hào)的作用，對(duì)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(duì)稱時(shí)，對(duì)共模信號(hào)的抑制能力強(qiáng)。(2)差模信號(hào)及差模電壓放大倍數(shù)Aud差模信號(hào)-一在差動(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(hào)。差模信號(hào)的作用，由于信號(hào)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(duì)值相等,因此：此時(shí)的兩管基極的信號(hào)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數(shù)。當(dāng)對(duì)差動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、相位相反的差膜信號(hào)，這事第一個(gè)管的射級(jí)電流增大，第二個(gè)管的射級(jí)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(hào)，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)A=±汁叭］ud2(R+r)bbe這種方式適用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號(hào)差模輸入電阻R二2(R+r)idbbe輸出電阻R二R0C共模放大倍數(shù)Auc一豊相敏檢波器系統(tǒng)工作及原理信號(hào)通道把輸入的被測(cè)信號(hào)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(hào)的觸發(fā)下，輸出相位可調(diào)的、與輸入信號(hào)同頻的占空比為1：1的方波；相敏檢波器比較兩路信號(hào)后輸出直流信號(hào)；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(hào)，其幅度與兩路輸入信號(hào)幅度和他們的相位差成正比。相敏檢波器是相關(guān)檢測(cè)的核心部件他決定了測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度以及弱信號(hào)的檢測(cè)水平。它的作用有兩個(gè)：一是抑制噪聲，二是實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦信號(hào)或調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行幅值和相位的檢測(cè)。(應(yīng)當(dāng)指出:相關(guān)檢測(cè)用于測(cè)量深埋于噪聲中的、微弱的頻域信號(hào),由于是基于頻域相干檢測(cè)原理,它處理的信號(hào),必須是某一頻率的周期函數(shù)。若原來的被測(cè)信號(hào)是緩變信號(hào),則首先必須調(diào)制成頻域信號(hào),才能進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)檢測(cè)。)電路結(jié)構(gòu)A為零電壓比較器；D為檢波二極管；3DJ7J為場(chǎng)效應(yīng)管電子開關(guān)；1A差動(dòng)放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大與合成。A?均采用具有雙運(yùn)放的集成芯片LF353N。 1 2工作原理參考信號(hào)u「(t)經(jīng)A1和D組成的整形電路后的輸出u1(t)是與被測(cè)信號(hào)us(t)同頻、同相，占空比1:1的方波。此方波信號(hào)是控制電路電流流通的開關(guān)，為場(chǎng)效應(yīng)管3DJ7J提供柵源偏置電壓，控制電子開關(guān)的動(dòng)作，決定場(chǎng)效應(yīng)管漏極信號(hào)u3(t)。由場(chǎng)效應(yīng)管工作原理知：

1^1r(o,r/2)(r/2,r)1^1r(o,r/2)(r/2,r)差放A2對(duì)信號(hào)us(t)和u3(t)進(jìn)行合成，得到相敏檢波器輸出信號(hào)u0(t)，其表達(dá)式為：當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管截止時(shí)，運(yùn)放A2工作在跟隨狀態(tài)；當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，A時(shí)，A2工作在反相放大狀態(tài)。(1)代入式(2)中，得：驗(yàn)證測(cè)量時(shí)取R=R。把式f 4皿)屮：乜-如(f)皿)屮：乜-如(f)(0,T/2)(7/2,T)由式(3)知，從相敏檢波器輸出信號(hào)u(t)中得到了被測(cè)0信號(hào)us(t)。對(duì)上述相敏檢波器電路進(jìn)行性能測(cè)試，通過調(diào)整R可以改變運(yùn)放A2對(duì)信號(hào)放大的幅度，測(cè)試波形如圖3所示。對(duì)應(yīng)圖1,再對(duì)u0(t)進(jìn)行直流放大，即可取其直流分量U0，從而得到被測(cè)信號(hào)幅值U(因?yàn)樵谙嚓P(guān)檢測(cè)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(hào)放大)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的相敏檢波器電路達(dá)到了預(yù)期目的。

or(mV)or(mV)r\r\r\c\「(mV)r\r\r\c\「(mV)wfWWWW0低通濾波器低通濾波器是容許低于截至頻率的信號(hào)通過，但高于截止頻率的信號(hào)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(hào)無損通過，而所有高于截止頻率的信號(hào)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)”。“巴特沃斯響應(yīng)”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(duì)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T5V~+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?實(shí)用電驗(yàn)傳感器設(shè)境電子秤并驗(yàn)證示波器和CSY-910型傳感器實(shí)驗(yàn)儀：電容傳感器、電壓放大實(shí)低驗(yàn)內(nèi)容表及過程：1、實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器有多種形式，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Cxi，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)/V表置于2V檔。3、實(shí)驗(yàn)步驟（1）根據(jù)圖接線。⑵將F/V表打到20V,調(diào)節(jié)測(cè)微頭，使輸出為零。⑶轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭，每次0.1mm,記下此時(shí)測(cè)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(cè)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