電容式位移傳感器地設(shè)計

1、實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔課程設(shè)計設(shè)計名稱:電容式位移傳感器的設(shè)計專業(yè)班級:_姓 名:_學(xué) 號:_實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔指導(dǎo)教師:_XXXX年XX月目錄一、設(shè)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(shè)計分析.4六、消除和減少寄生電容的影響.5,七、轉(zhuǎn)換電路的設(shè)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實用標(biāo)準(zhǔn)文案13精彩文檔十二、附錄1 1、設(shè)計要求：設(shè)計差動變面積式電容位移傳感器，要求規(guī)定的設(shè)計參數(shù)。1 1、測量圍（mmmm ）： 00 1mm1mm ；2 2、線性度（FsFs）: 0.50.5 ;3

2、 3、分辨率（ym m ）: 0.010.01 ;4 4、靈敏度（PF/mmPF/mm ）:5 5、通過理論設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析等過程設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)和測量電路，畫 出結(jié)構(gòu)示意圖和測量電路圖，并進行參數(shù)計算。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)合傳感器實驗平臺，確定傳感器的靜態(tài) 靈敏度和線性圍，并設(shè)計電容傳感器的電子秤應(yīng)用實驗。實用標(biāo)準(zhǔn)文案2 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(jié)構(gòu)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(yīng)性強；

3、它的靜電 引力小，動態(tài)響應(yīng)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?qū)崿F(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)采用非接觸測量時，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，采用差動結(jié)構(gòu)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 0.010.01 阿至更小的位移。本課題采用差動 變面積式電

4、容位移傳感器，線性的反映電容和位移的變化關(guān)系。3 3、電容傳感器的優(yōu)缺點優(yōu)點：1 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(guān)，僅取決于電機的幾 何尺寸和介質(zhì)，且空氣介質(zhì)等介質(zhì)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(jié)構(gòu)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 2結(jié)構(gòu)簡單且適應(yīng)性強：電容傳感器的結(jié)構(gòu)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 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

5、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。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔4 4動態(tài)響應(yīng)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 率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短5 5可實現(xiàn)非接觸測量并且有平均效應(yīng)。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(wù)。但是電容式傳感器的一些缺點也是不可忽視的：1 1輸出阻抗高并且負(fù)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(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)重時甚至無法工作，必須采取平屏蔽措施，從而給設(shè)計

6、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(yuǎn)比低頻的復(fù)雜，且寄生電容影響大，不宜保證工作的穩(wěn)定性。2 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（12m12m導(dǎo)線電纜電容可達(dá) 800pF800pF ）測量電路的雜散電容以及傳感器極板與周圍導(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(yán)格的要求，

7、例如采取屏蔽性好、自身分布電容小的導(dǎo)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 4、基本原理利用電容C=4/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇-A A、 d 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 U 可以有測谷物干燥度(g(g 變)、測位移(d d實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔變)和測量液位(A 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(jié)構(gòu)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(shè)圓筒的半徑為 R R;圓柱的半徑為 r r ;圓柱的長 為 x x，則電容量為 C=C=

8、 c2xc2x /ln(Rln(R/r)r)。圖中 C1C1、C2C2 是差動連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生 ?X?X 位移時，電容量的變化量為？ C=C1C=C1 C2=C2=迄 2 2 ?X?X/ln(Rln(R /r)r)，式中&2&2、ln(Rln(R/r)r)為常數(shù)，說明？ C C 與位移？ X X 成正比，配上配套測量電路就能測量位移。5 5、設(shè)計分析本文主要是設(shè)計差動變面積式電容位移傳感器，以及測量電路的設(shè)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(zhuǎn)換成電壓的變化， 由電壓的變化測出位移的變化量。 本 設(shè)計主要

9、目的是如何利用設(shè)計的差動變面積式位移傳感器與轉(zhuǎn)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。實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔圖 1 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(zhì)，兩兩構(gòu)成電容器。當(dāng)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(dāng)中間電容極板向上移動時，與上邊極板 間面積增大，與下極板間面積減??；反之，當(dāng)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(dǎo)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(gòu)成了差動電容。圓柱式電容的計算公式為 C=2C=2 nx/ In(D/d)式中：x x

10、為、外電極重疊部分的長度;D D、d d 分別為外電極徑與電極外徑。當(dāng)重疊部 分長度 x x發(fā)生變化時，電容的變化量為靈敏度為 K K AC/Ax x 2 2 ns/l l n(D/d)n(D/d)設(shè)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00 1mm1mm 的距離，傳感器由兩組定片盒一組動片組成。當(dāng)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(yīng)變化，成為差動電容。將上層定片 與動片形成的電In (D/d) hi(Dfd)l(i (D/d)ln(D/d)圖 1.1.差動電容簡圖實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔容定位 Cx1Cx1，下層定片與動片形成的電容定為 C

11、x2Cx2，當(dāng) CxiCxi 和Cx2Cx2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(guān)， 即與動片的位移 有關(guān)。6 6、消除和減少寄生電容的影響在電容式傳感器的設(shè)計中，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。傳感器實用性的關(guān)鍵就是減小并消除寄生電容的影響。1 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，示值圍，擊穿電壓，結(jié)構(gòu)條件

12、因素限制。2 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，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 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 ClCl，電容的傳感器 CxCx 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/Cp/ (1+A1+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

13、。開 環(huán)放大倍數(shù) A A 越大,精度越高。選擇足夠大的A A 值以確保足夠的測量精度。4 4 采用“電纜驅(qū)動”技術(shù)當(dāng)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(qū)動技術(shù)，即傳感器與測量電路前置級間的引線為雙層屏蔽電 纜，其屏蔽層與信號傳實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔輸線之間的電容。采用這種技術(shù)可是電纜線長達(dá)10m10m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7 7、轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計電容傳感器可以把位移等被測量轉(zhuǎn)換成電容量 C C，電容傳感器的電容變化量 通常非常?。ㄒ话銥閹资?PFPF）,如此微小的電容量不便于直

14、接測量和傳輸，因 此需要將電容量 C C 進一步轉(zhuǎn)換成易于數(shù)據(jù)處理的電壓或電流信號，將電容量轉(zhuǎn) 換成電量的電路稱作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路，本文采用電橋電路作為轉(zhuǎn)換電 路。電橋電路電橋法轉(zhuǎn)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 T 二極管電橋電路。下圖所示為雙 T T 二極管電橋電路原理圖。其中，U Uo為高頻電源，提供對稱 方波 D Di、D D2是兩個特性相同的二極管，R Ri和 R R2是固定電阻，且 RI=R2=R,CI、C 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，另一個為傳感器電容）。實用標(biāo)準(zhǔn)文案精

15、彩文檔電路工作原理為：當(dāng)電源 U Uo正半周時，二極管 D Di導(dǎo)通，D D2截止，電路可等效為 下圖（a a）所示電路，此時 C Ci充電，C C2放電，流經(jīng) R Rf的電流 I If為電源 U Uo供電電 流 I If和 C C2放電電流 1 12之和；當(dāng)電源 U Uo為負(fù)半周時 D Di截止，D D2導(dǎo)通，等效電路 如下圖（b b）所示，此時 C Ci放電，C C2充電，流經(jīng) R Rf的電流 I If為電源 U U 供電電流 1 12 和 C Ci放電電流 I Ii之和。由于 D Di、D D2特性相同，且 R Ri=R=R2，因此當(dāng) C Ci=C=C2（即傳感器極板位于中間位置， 沒有

16、位移輸入）時，I If與 I Ii的平均值大小相等，方向相反，在一個周期流過 R Rf的平均電流為零，即 R Rf上無電壓輸出；當(dāng) C Ci或 C C2發(fā)生變化時，R Rf上平均電流不 為零，有電壓輸出，輸出電壓為式 4.34.3 表明，該電路的靈敏度與電源電壓 U Uo的幅值和頻率 f f 有關(guān)，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 Di、D D2、R Ri、R R2安裝在 C Ci、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。尺才為常數(shù)t電源頻札

17、住kihJ 9収T一極住蛀橋砸路原理圖實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔8 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體管隨溫度變化多引起的零點漂移，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(shè)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(dá)到了抗共模干擾的目的。差動放大

18、電路的基本形式對電路的要：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(dāng)輸入信號 Ui=OUi=O 時，貝 U U 兩管的電流相等，兩管的集點極電位也相等，所以 輸出電壓 UO=UO1-UO2=0UO=UO1-UO2=0 。溫度上升時，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。差動放大電路的放大作用（輸入信號有兩種類型）實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔(1(1)共模信號及共模電壓的放大倍數(shù) AucAuc 共模信號-在差動放大管 T1T1 和 T2T2 的基極接入幅度相等、極性相同的信號 共模信號的

19、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 UOCUOC 為零。于是差動電路對稱 時，對共模信號的抑制能力強。(2)2)差模信號及差模電壓放大倍數(shù) AudAud差模信號-在差動放大管 T1T1 和 T2T2 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 T1T1 管集電極電壓下降，T2T2 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(dāng)對差動電路的兩個輸入端加上一對大小相等、相位相反的

20、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。實用標(biāo)準(zhǔn)文案差模放大器的放大倍數(shù)上卩（RJ/RJ+氐）這種方式適用于將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出的信號 差模輸入電阻尺H-2（叫一輸出電阻&廠尺；共模放大倍數(shù)2R9 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(diào)的、與輸入信號同頻的占空 比為 1 1:1 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

21、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(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：一是抑制噪聲，二是實現(xiàn)對正弦信 號或調(diào)幅信號進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，才能進行后續(xù)的相關(guān)檢測。）精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔電路結(jié)構(gòu) A1A1 為零電壓比較器；D D 為檢波二極管；3DJ7J3DJ7J 為場效應(yīng)管電子開關(guān)；A2A2

22、差動放大器，對信號進行放大與合成。A1A1、A2A2 均采用具有雙運放的集成芯片 LF353NLF353N 。工作原理參考信號 u u r r ( ( t)t)經(jīng) A A 1 1 和 D D 組成的整形電路后的輸出 u1u1 ( ( t)t)是與被測信號 usus ( ( t)t)同頻、同相，占空比 1 1 ：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 3DJ3DJ7J7J 提供柵源偏置電壓，控制電子開關(guān)的動作，決定場效應(yīng) 管漏極信號 u3u3 ( ( t)t)。由場效應(yīng)管工作原理知:差放 A A 2 2 對信號 usus ( ( t)t)和 u3u3 ( ( t)t)進

23、行合成，得到相敏檢波器輸出信號 u u 0(0( t)t)，當(dāng)場效應(yīng)管截止時，運放 A A 2 2 工作在跟隨狀態(tài)；當(dāng)場效應(yīng)管導(dǎo)通時，A A2 2 工作 在反相放大狀態(tài)。驗證測量時取 Rf=Rf= R R 4 4 。把式(1)(1)代入式(2)(2)中，得：-J必(f)(0,T/2)(0, 7/2)(r/2, r)(I)禰 2 2MMO其表達(dá)式為:實用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔tio(F)二L-?。?r/2,T)由式（3 3）知，從相敏檢波器輸出信號u u 0 0（ t t）中得到了被測信號 usus （ t t）。對上述相敏檢波器電路進行性能測試，通過調(diào)整RfRf 可以改變運放 A A 2 2 對信號

24、放大的幅度，測試波形如圖 3 3 所示。對應(yīng)圖 1,1,再對 u u 0 0（ t t）進行直流放大，即可取其 直流分量 U U 0 0，從而得到被測信號幅值 U U s s （因為在相關(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)實際驗證，所設(shè)計的相敏檢波器電路達(dá)到了預(yù)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(yīng)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(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現(xiàn)的，所有的設(shè)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