脈寬調(diào)制型差動(dòng)電容位移傳感器的研究

- 1 - 脈寬調(diào)制型差動(dòng)電容位移傳感器的研究 第一章 緒論 課題研究背景 在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各部門(mén)中，經(jīng)常需要檢測(cè)各種參數(shù)和物理量，獲取被測(cè)對(duì)象的定量信息，以便進(jìn)行監(jiān)視和控制，使設(shè)備或系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，并保證生產(chǎn)的安全、經(jīng)濟(jì)及高質(zhì)量。在現(xiàn)代科學(xué)研究和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為了掌握事物的規(guī)律性，人們必須測(cè)試許多的參數(shù)，用以檢驗(yàn)是否符合預(yù)期要求和事物的客觀規(guī)律性 1。 在被測(cè)物理量中，非電量占了絕大部分，例如壓力、溫度、濕度、流量、液位、力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、振幅等等。非電量測(cè) 量可以通過(guò)各種對(duì)應(yīng)的敏感元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓、電流等，而后再通過(guò)對(duì)電壓、電流的測(cè)量，得到被測(cè)物理量的大小。傳感技術(shù)的發(fā)展為這類測(cè)量提供了新的方法和途徑 2。 電 容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的 電容器。 和其它傳感器相比，電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、分辨力高、工作可靠、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作 3。電容傳感器廣泛的應(yīng)用于多種檢測(cè)系統(tǒng)中，用以測(cè)量諸如液位、壓力、位移、加速度等物理量。 電容式傳感器也存在不足之處，比如輸出阻抗高、負(fù)載能力差、寄生電容影響大等。上述不足直接導(dǎo)致其測(cè)量電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)，而它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點(diǎn)不斷得以克服。電容式傳感器成為一種大有發(fā)展前途的傳感器 4。 課題研究目的和意義 由于電容傳感器的廣泛采用，不可避免地要涉及到電容的測(cè)量問(wèn)題。對(duì)感應(yīng)信號(hào)的提 - 2 - 取與非電量參數(shù)測(cè)量的成功與否有著密切關(guān)系。 電容式傳感器將被測(cè)非電量信 號(hào)變換成電容變化，但電容值不能直接用現(xiàn)有的顯示儀器來(lái)顯示，更難于傳輸，必須借助測(cè)量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)，以便顯示、記錄和傳輸。對(duì)于電容 /電壓轉(zhuǎn)換電路，如何將電容變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)至關(guān)重要，它直接關(guān)系到后續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性 5。 在測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往由于體積或測(cè)量環(huán)境的制約，電容傳感器電容的變化量一般都較小，往往僅有幾個(gè)或幾十個(gè)皮法的大小，屬于微弱電容的檢測(cè) 6,7。在某些場(chǎng)合 , 例如電容層析成像系統(tǒng)中，傳感電容的變化量小至 8。在現(xiàn)階段測(cè)量微小電容主要有以下幾方面 的困難 9,10：雜散電容往往要比被測(cè)電容高的多，且雜散電容會(huì)隨溫度、結(jié)構(gòu)、位置、內(nèi)外電場(chǎng)分布及器件的選取等諸多因素而變化，被測(cè)量常被淹沒(méi)在干擾信號(hào)中；測(cè)量電路一般要使用一定量的電子開(kāi)關(guān) , 但電子開(kāi)關(guān)的電荷注入效應(yīng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響難以消除；由于測(cè)量對(duì)象的快速多變性 , 需要較高的數(shù)據(jù)采集速度 , 但采集速度和降低噪聲的矛盾難以解決 , 濾波器的存在成為提高數(shù)據(jù)采集速度的瓶頸等問(wèn)題。因此，要考慮引線電容、電路設(shè)計(jì)的寄生電容以及環(huán)境變化的影響等因素，使電容傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，并且由于分立元件過(guò)多，也將 影響電容的測(cè)量精度 11,12。 從工業(yè)角度而言，微小電容測(cè)量電路須滿足動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量靈敏度高、低噪聲、抗雜散等要求。 綜上所述，研究電容式傳感器及其測(cè)量電路對(duì)測(cè)量?jī)x器的發(fā)展有著重要意義。 究現(xiàn)狀 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電容式傳感器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。根據(jù)市場(chǎng)及工程應(yīng)用的需要，國(guó)內(nèi)外多家公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種型號(hào)電容式位移傳感器測(cè)微系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)多處于理論分析階段，而國(guó)外公司技術(shù)相對(duì)較為成熟。 國(guó)）公司開(kāi)發(fā)的 容式位移傳感器如圖 1示。該傳感器具有超高精度、高穩(wěn)定性、高頻率和分辨 率。其分辨率能達(dá)到 m，頻率響應(yīng)可達(dá)到 20性度為 高溫型探頭抗溫可達(dá) 500，在 16 情況下，溫漂低于 德國(guó)米銥公司開(kāi)發(fā)的 傳感器最高分辨率為 2納米，線性度達(dá) 傳感器工作溫度范圍 - 200。該傳感器在測(cè)量導(dǎo)電材料時(shí)，不須另外進(jìn)行線性化工作，導(dǎo)電性能的差異不會(huì)影響靈敏度和線性，給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量帶來(lái)極大方便。 可以測(cè)量絕緣材料的位移，但是線性化須專門(mén)進(jìn)行， - 3 - 材料相同的介 電常數(shù)是精確測(cè)量的條件。 圖 容式位移傳感器實(shí)物圖 圖 1.2 密電容式位移傳感器實(shí)物圖 ap ap 容式位移傳感器在設(shè)計(jì)應(yīng)用中往往存在以下的問(wèn)題： 1、 電容檢測(cè)電路非線性，不便于后續(xù)傳感器特性曲線擬合； 2、 受寄生電容和分布電容的影響，電容式位移傳感器測(cè)量范圍小。以德國(guó)米銥公司的電容式位移傳感器為例，直徑為 40 3、 檢測(cè)電路較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高等。 70年代末出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的電容式傳感器，該新型傳感器分布電容大為減小，很大程度上彌補(bǔ)了電容式傳感器的不足。那么設(shè)計(jì)一種線性度好的電容檢 測(cè)電路，研究克服寄生電容、增大電容式位移傳感器檢測(cè)范圍的方法，對(duì)今后電容式傳感器的開(kāi)發(fā)，擴(kuò)大電容方式傳感器的使用范圍具有重要意義，這也是目前電容傳感器需要突破的瓶頸所在。 課題的任務(wù)和內(nèi)容 本課題要求設(shè)計(jì)一臺(tái)微小位移測(cè)量?jī)x，利用平行板差動(dòng)電容，配以脈寬調(diào)制信號(hào)出路電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微位移的測(cè)量。 具體要求如下：（ 1）建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，搭建整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)；（ 2）研制平行板電容器；（ 3）研制出傳感器信號(hào)處理電路；（ 4）研制出微位移測(cè)試儀。 本課題內(nèi)容： 第一章 介紹了本課題研究問(wèn)題的背景，課題研究的目的和意義 及國(guó)內(nèi) 外相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀 。 第二章 論述了電容式傳感器的相關(guān)理論 及平行板電容器的制作。 - 4 - 第三章 介紹了電容式傳感器常用的電容 /電壓（ C/V）轉(zhuǎn)換電路。 第 四 章 設(shè)計(jì)了基于脈沖調(diào)寬原理的微小 位移 測(cè)量電路 ，并進(jìn)行電路元器件選擇，參數(shù)計(jì)算。 第 五 章 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量處理，并詳細(xì)分析測(cè)量誤差，解析誤差來(lái)源，并提出減小誤差的措施 。 第 六 章 總結(jié)了全文的工作并提出了下一步的工作建議。 第二章、電容式傳感器的相關(guān)理論及其設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)微小位移的測(cè)量，這里是通過(guò)電容式傳感器將非電量的位移轉(zhuǎn)換成電容這個(gè)電量的變 化，然后通過(guò)測(cè)量電路得到電壓，通過(guò)推導(dǎo)電壓與位移的關(guān)系進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。電容式傳感器作為位移與電壓的橋梁有著很重要的地位，在此將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后提出本設(shè)計(jì)中的傳感器設(shè)計(jì)方案 。 容式傳感器工作原理 圖 板電容器 容式傳感器的 基本原理 可以用圖 13,14。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容 C 為 d r 0 （ 2 式中 A 極板相對(duì)覆蓋面積； d 極板間距離； 相對(duì)介電常數(shù)； - 5 - 0 真空介電常數(shù)， 0 =1210 F/m； r 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 。 由式（ 2知，當(dāng) A、 d 和 中的某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)變化時(shí)，就改變了電容 C 。 C 的變化 ， 在交流工作時(shí)，就改變了容抗，從而使輸出電壓或電流得以 變化。 d 和 A 的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映彈力、壓力等變化； 的變化，則可以反映液面高度、材料的濕度等的變化 15。 容式傳感器的類型 實(shí)際應(yīng)用中，常常僅改變 A、 d 和 之中的一個(gè)參數(shù)來(lái)使 C 發(fā)生變化，所以電容式傳感器可分為三種基本類型：改變極板距離 d 的變極距（變間隙）型；改變面積 A 的變面積型；改變介電常數(shù) 的變介電常數(shù)型。 變極距型一般用來(lái)測(cè)量微小的線位移；變面積型一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移；變介電常數(shù)型常用于固體或液體的物位測(cè)量以及各種介質(zhì)的濕度、密度的測(cè) 定 16,17。 極距型電容傳感器 變極距型電容傳感器是利用改變極板間距來(lái)改變電容量的一種可變傳感器。由式（ 知，當(dāng)電容式傳感器極板間距 d 因被測(cè)量變化而變化 d 時(shí) ，電容變化量 為 C ，那么電容相對(duì)變化量為 18 0 1001 （ 2 如果滿足條件 1，將上式按級(jí)數(shù)展開(kāi)成 0 3201 d （ 2 式中 0C 極距為 0d 時(shí)的初始電容量。 該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際中常常作成差動(dòng)式來(lái)改善其非線性。 面積型電容傳感器 通過(guò)改變極板的有效面積可制成變面積型電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑 向變化的影響小， - 6 - 成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)，這里介紹一種同心圓筒形線位移電容式傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 圖 圓筒形線性位移電容傳感器 是由套在一起并具有一定高度的兩個(gè)通信金屬圓筒的內(nèi)、外表面所形成的電容傳感器，其中一個(gè)圓筒固定嗎，另外一個(gè)同心圓筒沿著軸線方向移動(dòng)，構(gòu)成相互覆蓋面積可變化的電容傳感器。 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí) 電容 為 0C = （ 2 式中 l 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度； D 、 d 外圓筒內(nèi)徑和內(nèi)圓柱外徑。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng) x 時(shí)，電容變化量 C 為 C = 0C = 0 （ 2 可見(jiàn) 這類傳感器具有良好的線性。 - 7 - 介電常數(shù)型電容傳感器 與上述的圓筒形線性位移傳感器結(jié)構(gòu)相似，如圖 是它是通過(guò)改變兩筒間的介質(zhì)（介電常數(shù)）來(lái)改變其電容量，利用該原理可制成變介電常數(shù)型電容傳感器。 圖 變介電常數(shù)型電容傳感器 設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為 1 ，液面高度為 h ，傳感器總高度為 H ，外筒內(nèi)徑為 D ，則此時(shí)傳感器電容值為 （ 2 0 0 （ 2 其中 ，容易看出，電容變化與介質(zhì)的介電常數(shù)呈線性關(guān)系。 因此 變介電常數(shù)型電容傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度 的 改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。 容式傳感器等效電路 實(shí)際上，我們對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。這在可忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。但若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作時(shí) ，那就不能忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響，這時(shí)電容傳感器可以等效 - 8 - 為圖 18。 圖中 C 為傳感器電容， 低頻損耗并聯(lián)電阻，它包含極板間漏電和介質(zhì)損耗； 高濕、高溫、高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電阻，它包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電 圖 容傳 感器的等效電路 阻； L 為電容器及引線電感； 寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實(shí)用性能的關(guān)鍵之處?？梢?jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在高頻激勵(lì)時(shí)，尤需要考慮 L 的存在，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。 另外，由等效電路可知，它有一個(gè)諧振頻率，通常幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。 容式傳感器的靈敏度和非線性 電容式傳感器的靈敏度即為輸出電容的 變化 量和輸入非電量 （位移，壓力等） 的比值，用 S 表示。變極距式電容傳感器只有在滿足極板間初始距離 0d 遠(yuǎn)大于輸入量 d 時(shí)（即 d / 0d d 的條件，但 0d 增大會(huì) 引起 0C 減小，因而靈敏度 S 降低。且當(dāng) 0d 較小時(shí)，寄生電容的作用要增大，因而影響檢測(cè)精度。 若用一組差動(dòng)電容式傳感器，當(dāng)滿足 0d d 時(shí)，靈敏度為 S = = 002 （ 2 - 9 - 可見(jiàn)靈敏度比單極式提高一倍。 因此一般采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，減小非線性誤差，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的 誤差。 容式傳感器特點(diǎn) 及發(fā)展方向 容式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 1、溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。 2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量。電容式傳感器一般用金屬作電極、以無(wú)機(jī)材料作絕緣支承，因此能工作在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過(guò)載等；能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。 3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小、很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它還可以用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。 4、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng) 當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。 電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適 宜用來(lái)解決輸入能量低的測(cè)量問(wèn)題。 足之處 1、輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。容抗大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影響傳感器的性能，為此還要特別 - 10 - 注意周圍環(huán)境的影響。 2、寄生電容影響大 電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳 感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)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(jī)變化的，將使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。 3、 輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。 上述不足直接 導(dǎo)致電容式傳感器測(cè)量電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服，成為一種大有發(fā)展前途的傳感器。 相關(guān)電路將在第三章詳細(xì)介紹。 展方向 電容式傳感器的發(fā)展方向就是一方面加強(qiáng)電容式傳感器變換電路的集成度，為了克服寄生電容的影響，盡量將電路和傳感器連接得緊密些或者干脆做成一體或采用無(wú)線接入代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜傳輸；為克服電容器掛料問(wèn)題，采用射頻導(dǎo)納加以改進(jìn)。另一方面充分開(kāi)發(fā)測(cè)量系統(tǒng)的智能化，所謂智能化就是將傳感器獲取信息的功能與專用的微 處理器的信息分析、處理等功能緊密結(jié)合在一起。由于微處理器具有計(jì)算與邏輯判斷功能，故可以方便地對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記憶、比較分析、并能夠?qū)?shí)際物位的電容量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)校正；從而有效地解決了以往受寄生電容影響、導(dǎo)致電容式傳感器準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、及可靠性差的技術(shù)難題，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性 19。 論文傳感器設(shè)計(jì)方案 出方案 本論文要求對(duì)微小位移進(jìn)行測(cè)量，歸根結(jié)底就是測(cè)量微小電容，結(jié)合以上電容式傳感器的相關(guān)知識(shí)及設(shè)計(jì)要求，最終確定采用如圖所示的變極距式的差動(dòng)電容傳感 器結(jié)構(gòu)， - 11 - 圖 差動(dòng)式電容傳感器結(jié)構(gòu) 塊相同金屬板上下平行放置，其中最上面的板和最下面的板固定住，中間的板為可移動(dòng)極板。可動(dòng)極板用于反應(yīng)機(jī)械位移，因?yàn)閯?dòng)極板的移動(dòng)會(huì)引起傳感器的電容變化。另外，此結(jié)構(gòu)配以合適的測(cè)量電路將可以判斷動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)的方向，這是一般的傳感器結(jié)構(gòu)所無(wú)法達(dá)到的?？傊?，差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的引入減小了系統(tǒng)的非線性誤差，提高了 靈敏度。 案具體實(shí)施及注意點(diǎn) 電容式傳感器初始電容小，很容易受外界環(huán)境影響，因此在搭建平行板時(shí)應(yīng)特別小心。首先，將三塊金屬板通過(guò)焊錫分別與三根細(xì)金屬絲（即為電容傳感器的引出線）焊接在一起，金屬絲表面漆有絕緣漆以防接觸短路；然后用三個(gè)有機(jī)玻璃條（或是絕緣夾子）分別粘在金屬板上；固定上極板與下極板的有機(jī)玻璃條（絕緣夾子）的另一端固定于螺旋測(cè)微儀的尺架上，固定動(dòng)極板的絕緣材料的另一端固定于螺旋測(cè)微儀的測(cè)微螺桿上，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微儀的旋鈕，既改變電容有能直接讀出位移量，這樣電容傳感器就完成了。 在搭建過(guò)程應(yīng)注 意一下幾點(diǎn)： （ 1） 金屬板表面一定要保持光潔，切勿彎曲； （ 2） 未與金屬板焊接的導(dǎo)線應(yīng)相互絕緣，不可掉漆短路； （ 3） 三塊板應(yīng)盡量保證平行，不可傾斜； （ 4） 板間距應(yīng)合理。小的間距可提高傳感器的靈敏度，但間距過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。 （ 5） 接入電路時(shí)，應(yīng)保證傳感器沒(méi)有雜亂導(dǎo)線或電信號(hào)干擾。 另外，三個(gè)極板初始板間距可以由公式（ 2算得到，一般變極距電容式傳感器的起始電容在 20間，在這里選取 30中 A 即板間正對(duì)面積，在這里即為圓板的面積。通過(guò)測(cè)量圓板半徑為 入公式計(jì)算得到，板間初始距 離 0d = - 12 - 章小結(jié) 本章主要介紹了電容式傳感器的相關(guān)理論知識(shí)，分析了電容式傳感器測(cè)量的原理及測(cè)量的誤差來(lái)源，然后通過(guò)比較確定了本設(shè)計(jì)中采用的傳感器結(jié)構(gòu)，提出最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即差動(dòng)式電容位移傳感器，同時(shí)對(duì)具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述說(shuō)明，對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)的注意點(diǎn)提出要求。 - 13 - 第二章 常用的電容式傳感器測(cè)量電路 電容位移傳感器將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電容的變化量后，必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換成可以應(yīng)用的電量，如電壓、電流及頻率信號(hào)等，這種測(cè) 量轉(zhuǎn)換和處理的方法有很多。目前廣泛使用的測(cè)量方法有： 調(diào)頻法、交流電橋法、雙 20，下面一一介紹。 頻電路 圖 頻電路原理框圖 種電路是把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分。當(dāng)被測(cè)量使電容發(fā)生變化時(shí)，就使振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于振蕩器的頻率受電容式傳感器的電容調(diào)制，故稱為調(diào)頻電路。圖 中的調(diào)頻振蕩器的頻率由下式?jīng)Q定： 21 （ 3 式中 L 振蕩回路的電感； C 振蕩回路的總電容。 一般是由傳感器電容 0 ，振蕩回路的固有電容 1C 和傳感器電纜分布電容 組成。當(dāng)被測(cè)量沒(méi)有變化時(shí)， C =0，則 C = 10 為一常數(shù)，所以振蕩器的頻率 - 14 - 是一個(gè)固定頻率 0f , 010 2 1 i （ 3 當(dāng)被測(cè)量改變時(shí)， C 0 ，振蕩頻率也有一個(gè)相應(yīng)的改變量 f ，此時(shí)振蕩頻率為 i 0012 1（ 3 振蕩器輸出的高頻電壓是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻波，其頻率由上式?jīng)Q定。 這類測(cè)量電路靈敏度高， 可以測(cè)至 且為頻率輸出，易于和數(shù)字式儀表及計(jì)算機(jī)連接 ，可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控 。另外抗干擾能力強(qiáng)，能獲得高電平的直流信號(hào)。缺點(diǎn)是振蕩頻率受溫度和電纜電容的影響大；線路復(fù)雜，且不易做得很穩(wěn)定；輸出非線性較大，需 誤差補(bǔ)償 21。 流電橋電路 電容式傳感器的電橋測(cè)量電路形式很多，在工程實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛是變壓器電橋，電路結(jié)構(gòu)如圖 圖 壓器電橋 原理是 將電容傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)相鄰臂，另兩臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈。測(cè)量時(shí)被測(cè)量變化導(dǎo)致傳感器電容變化引起電橋失衡，電橋輸出電壓變化 。這種電路對(duì)于變極距式傳感器，存在較大的非線性誤差，它只有在負(fù)載阻 抗極大時(shí)輸出特性成線性。另外它 不具備自動(dòng)平衡措施，構(gòu)成較復(fù)雜 23。 - 15 - T 型充放電網(wǎng)絡(luò) 圖 極管雙 T 型電路 路原理如圖 電電壓是幅值為 e 、周期為 T 、占空比為 50%的方波。 電源正半周時(shí)， 1D 短路， 2D 開(kāi)路，電容 1C 被充電。假設(shè) 21 ,通過(guò)推導(dǎo)可得到流過(guò)電容 2C 的平均電流： 22 21 (3同理，可得 負(fù)半周時(shí)電容 平均電流 11 21 （ 3 故在負(fù)載 2122102 （ 3 可見(jiàn)，輸出電壓與電容差值成正比關(guān)系。該電路適用于各種 電容式傳感器。它有如下應(yīng)用特點(diǎn)和要求 24：（ 1）電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時(shí)在一點(diǎn)接地；（ 2）當(dāng)二極管工作于高電平下時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很??；（ 3）電路的靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定；（ 4）將 1、 路簡(jiǎn)單；（ 5）輸出電壓較高；（ 6）電路的輸出阻抗僅與 與電容 2無(wú)關(guān)；（ 7）可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。 算放大器式電路 - 16 - 最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性 25 圖 算放大器 式電路 傳感器電容 C 是固定電容 0u 是輸出電壓信號(hào) 由運(yùn)算放大器工作原理可知 ju /1/10（ 3 / （ 3 0（ 3 結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性 ， 假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) A =，輸入阻抗 ， 因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般 A 和 夠大，所以這種誤差很小。 沖調(diào)寬型電路 由于本設(shè)計(jì)主要研究的就是該電路，在此章節(jié)不贅述，具體內(nèi)容將在下一章中詳細(xì)介紹，在此 簡(jiǎn)要說(shuō)明一下該電路的特點(diǎn)。 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求， - 17 - 也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高 26。 章小結(jié) 通過(guò)對(duì)電容位移傳感器的各種測(cè)量電路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電容位移傳感器性能的好壞關(guān)鍵在于測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。而目前不管是哪一種類型的電容位移傳感器，其都 存在著抗干擾性差、漂移明顯的問(wèn)題，而這兩個(gè)問(wèn)題也成為制約電容傳感器發(fā)展的瓶頸。分析其原因 27,28，一方面整個(gè)測(cè)量電路中，分立阻容元件非常多、集成度低，電路特性受到諸多參數(shù)的影響，因此很難保證較高的穩(wěn)定性；用到了大量的放大器、模擬濾波器等產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的元器件，導(dǎo)致工作過(guò)程中漂移現(xiàn)象明顯。另一方面，傳統(tǒng)電容位移傳感器由于測(cè)量電路龐大復(fù)雜，普遍采用與測(cè)頭分立式設(shè)計(jì)，被測(cè)模擬量從測(cè)頭輸出要經(jīng)過(guò)電纜傳輸給測(cè)量電路進(jìn)行處理，模擬量在這一段傳輸過(guò)程中，又引入了電纜電容，該電容值高達(dá)上百 并與傳感器電容并聯(lián)，降低了傳感器靈敏度，電纜擺放位置和其形狀變化都將引起電纜電容發(fā)生變化，使得傳感器工作不穩(wěn)定。因此在電路搭建過(guò)程中應(yīng)注意這些問(wèn)題，盡可能的體現(xiàn)出電路的優(yōu)點(diǎn)。 - 18 - 第四章 采用脈沖調(diào)寬原理設(shè)計(jì)的微小 位移 測(cè)量 儀 量電路結(jié)構(gòu)及工作原理 圖 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 圖 示的差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖。第一差動(dòng)電容 1C 和第二差動(dòng)電容 2C 為被測(cè)差動(dòng)電容。第一比較器 1同相輸入端連接參考電壓 第一比較器 1反相輸入端與第一差動(dòng)電容 1C 的一端連接，電容的另一端接地，第一比較器 1輸出端與一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 第一輸出端連接；第二比較器 2同相輸入端連接參考電壓 反相輸入端與 第二差動(dòng)電容 2C 的一端連接，電容另一端接地，第二比較器的輸出端與觸發(fā)器的第二輸入端連接。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端各連接一個(gè)電阻 1R 、 2R ，同時(shí)在電阻兩端各并聯(lián)一個(gè)二極管 1D 、 2D ，電阻的另外一端連接差動(dòng)電容的一端（非接地端）。最后從雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端各引出一根導(dǎo)線通過(guò)低通濾波器，即可得到輸出電壓 0U 29,30。 電路結(jié)構(gòu)如上所述，下面介紹該電路的工作原理。 當(dāng)接通電源后，假若觸發(fā)器 Q 端為高電平（設(shè)為 1U ）， Q 端為低電平（ 0），這觸發(fā)器通過(guò)電阻 1R 對(duì)電容 1C 充電；當(dāng) F 點(diǎn)電位 到 與參考電壓 等時(shí)，比較器 1生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使 Q 端為低電平， Q 端為高電平（ 1U ）。此時(shí)，電 容 1C 通過(guò)二極管 1D 迅速放電至零，而觸發(fā)器 Q 端經(jīng) 2R 向 2C 充電；當(dāng) G 點(diǎn)電位 參考電壓 等時(shí)，比較器 2出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，如此交替激勵(lì)，循環(huán)上述過(guò)程。該過(guò)程可簡(jiǎn)化為下面的流程： 011 111 發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出高電平當(dāng)充電 - 19 - 101 222 G 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出高電平當(dāng)充電 觸發(fā)器兩端輸出極性相反、寬度取決于 1C 和 2C 的脈沖。有分析可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容 1C 、 2C 調(diào)制。當(dāng) 1C = 2C 時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖 Q 和 Q 兩端電平的脈沖寬度相等， A 、 B 兩點(diǎn)間的平均電壓值為零。當(dāng) 21 時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖 示，有圖可見(jiàn)， A 、 B 兩點(diǎn)間的平均電壓值不為零 31,32。 （ a） （ b） 圖 各點(diǎn)的波形圖 根據(jù)電路知識(shí)可知： A 、 B 兩點(diǎn)的電位分別是 121 1 U A ， 121 2 U B （ 4 其中， 和 B 點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； 1T 、 2T C 和 2C 充電至 所需時(shí)間； 1U 1C 、 2C 的充放電時(shí)間 1T 、 2T 為： 11111 ， 11222 （ 4 - 20 - A 、 B 兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后獲得，等于 A 、 B 兩點(diǎn)電位平均值 12121121212110（ 4 設(shè) 21 ,再把 1T 、 2T 代入式（ 4則得 121 210 （ 4 式（ 4明差動(dòng)脈寬調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。 對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器，把平行板電容器的公式代入式（ 4可得 112 120 （ 4 當(dāng)差動(dòng)電容 021 ，即 021 時(shí)， 00U ；若 21 ，設(shè) 21 ，即 0201 , ，則式（ 4為100 同樣，對(duì)于差動(dòng)式變面積型電容傳感器來(lái)說(shuō)，則有 121 210 （ 4 設(shè)電容初始有效面積為 0S ，變化量為 S ，則濾波器輸出為： 100 （ 4 由此可見(jiàn)，對(duì)于 脈寬調(diào)制電路，不論改變平行板電容器的極板面積或是板間距離，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。總之，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路能適用于任何差動(dòng)式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)過(guò)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。這些特點(diǎn)都是其他電容測(cè)量電路所無(wú)法比擬的。 但是，要實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制必須做到 33：（ 1）使參考電壓小于觸發(fā)器輸出高電平；（ 2）當(dāng)電容充電電壓大于參考電壓時(shí)，要能引起比較器產(chǎn)生脈 沖信號(hào)，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；（ 3）雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器必須一端高電位，另一端低電位，不能同時(shí)存在高電位或低電位。 另外，為消除分布電容的影響，調(diào)寬線路比較器采用集成電路，要求高分辨能力、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高輸入阻抗。此外，兩比較器性能應(yīng)盡量相同，溫度輸入漂移應(yīng)低 34,35。所以 - 21 - 在選擇元器件時(shí)應(yīng)注意這些細(xì)節(jié)。 量電路元件選擇 電路中涉及的元器件有：電壓源、比較器芯片、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、非門(mén)芯片，電阻電容，二極管等，下面一一介紹。 總電路需要一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源提供電壓。選擇 A 雙路直流穩(wěn)壓電源，該電源有如下特點(diǎn)： （ 1）用四組 （ 2）具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流功能且穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換； （ 3）采用電流限制保護(hù)方式而且限流點(diǎn)可任意調(diào)節(jié)； （ 4）兩路輸出電壓可以任意串聯(lián)或并聯(lián)，在串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，可由一路主電源進(jìn)行電壓或電流 (并聯(lián) )跟蹤； （ 5）具有過(guò)載和短路保護(hù)功能。 輸出電壓 0出電流 0載效應(yīng) 10 103+10源效應(yīng) 104+ 10波及噪聲 示精度 1%+2個(gè)字；工作溫度 040 C；可靠性 2000h；電源電壓 00V10%;505%。 脈沖調(diào)寬測(cè)量電路中，要求參考電壓源提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電壓，設(shè)計(jì)中選擇 通過(guò)滑動(dòng)變阻器分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中滑動(dòng)變阻器的供電電壓為上述電源所提供。參考電壓電路如圖 圖 考電壓電路 - 22 - 比較器的兩路輸入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，即零電平和電源電壓。在選擇比較器時(shí)，比較器的輸出延遲時(shí)間是選擇的關(guān)鍵參數(shù)，延遲時(shí)間包括信號(hào)通過(guò)元器件產(chǎn)生的傳輸延遲和信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間，高速的比較器對(duì)電路的響應(yīng)具有重要作用。通過(guò)考慮，選擇了比較專業(yè)的電壓比較器 面介紹一下該芯片結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技巧。 2213042腳圖 型及管腳排列如圖 內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： （ 1） 失調(diào)電壓小，典型值為 2 2）電源電壓范圍寬，單電源為 2電源電壓為 118V；（ 3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；（ 4）共模范圍很大，為 0（ o；（ 5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；（ 6）輸 出端電位可靈活方便地選用。 似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“ -”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門(mén)限電平，它可選擇 另外加一個(gè)帶比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“ +”端電壓高于“ -”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“ -”端電壓高于“ +”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于 10能確保輸出能從一 種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 3選擇不同的阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端 - 23 - 高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 脈沖調(diào)寬電路中要求通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入端高、低電位的變化實(shí)現(xiàn)輸出端高、低電位的變化。設(shè)計(jì)中采用 了 由 四個(gè) 4其結(jié)構(gòu)如圖 14腳圖 4圖可知，四個(gè)鎖存器中有兩個(gè)具有兩個(gè)置位端（ 1S ， 2S ）。當(dāng) S 為低電平， R 為高電平時(shí)，輸出端 Q 為高電平；當(dāng) S 為高電平， R 為低電平時(shí)， Q 為低電平；當(dāng) S 和 R 均為高電平時(shí)， Q 被鎖存在已建立的電平中；當(dāng) S 和 R 均為低電平時(shí)， Q 為不穩(wěn) 定的高電平狀態(tài)。因此可得其真值表如下： 表 4注： 1為高電平， 0為低電平 4 入 輸 出 1S 2S R Q 0 0 0 不穩(wěn)定高電平 0 0/1 1 1 0/1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 不變 - 24 - 74源電壓 足 般取 5V；輸入高電平電壓 足 入低電平電壓 足 出高電平電流 足 ，輸出低電平 足 8脈沖寬度不得小于 20作溫度區(qū)間為 85。 由于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74有 Q 輸出端，因而考慮在 Q 端之后加接一個(gè)非門(mén)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。芯片型號(hào)為 74腳如圖 114腳圖 4薦工作條件：電源電壓 足 2 6，一般取 5V；輸入高電平電壓 足 入低電平電壓 足 入電壓最大可達(dá)到 輸出電壓最大可達(dá)到 設(shè)截止頻率為 c ，頻率低于 c 的信號(hào)可以通過(guò)，高于 c 的信號(hào)被衰減的濾波電路稱為低通濾波器。低通濾波器可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓 。 由差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖（圖 知， 只 需經(jīng) 過(guò)一個(gè) 低通濾波 器即可 得到直流輸出電壓 0U 。 通常來(lái)說(shuō)，濾波器分為有源濾波器與無(wú)源濾波器兩種，低通濾波器也不例外，在這里將分別介紹這兩種濾波器在 該設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 首先，如圖 是一個(gè)最簡(jiǎn)單的一階無(wú)源低通濾波器， - 25 - 圖 階無(wú)源低通濾波器 路中只包含一個(gè)電阻，一個(gè)電容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能。但它的負(fù)載能力差，對(duì)于直流信號(hào)，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，信號(hào)將無(wú)衰減的輸出；但外電路有負(fù)載時(shí)，信號(hào)將會(huì)被衰減。 由電路可 得，該電路的傳遞函數(shù)為 110 i （ 4 其中 ，稱為時(shí)間常數(shù)，對(duì)上式求傅立葉變換可得其頻率響應(yīng)函數(shù)為 1 1（ 4 其幅頻特性 A 為 21 1 A（ 4 低通濾波器的截止頻率為 1（ 4 由于負(fù)載對(duì)于 源濾波器具有較大的影響，常常 在后面加接運(yùn)算放大器，構(gòu)成一階有源 圖 - 26 - 圖 階有源低通濾波器 電路的傳遞函數(shù)為 10 i （ 4 式中31 ， 頻率特性為 1（ 4 與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可直接級(jí)聯(lián)，不需要進(jìn)行阻抗匹配，同時(shí)，有源濾波器電路還可以進(jìn)行增益調(diào)整，通過(guò)調(diào)節(jié)橋臂電阻，可補(bǔ)償電路中的增益衰減。電路對(duì)直流信號(hào)及低頻信號(hào)幾乎無(wú)增益衰減。相對(duì)于無(wú)