基于電容傳感器的微小位移測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-I -畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于電容傳感器的微小位移_測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院_機(jī)械工程學(xué)院_專業(yè)_機(jī)械工程及自動(dòng)化_班級(jí)_機(jī)自0702_學(xué) 生_ 王云海_學(xué)號(hào) _20070403206_指導(dǎo)教師_ 馬玉真_二O一一年五月三十日濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-1-丄 、八1 前言1 1 選題的意義近幾年的機(jī)械發(fā)展從傳統(tǒng)化向科技化發(fā)展， 以致是無論在試驗(yàn)室測試還是機(jī)械工 業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，其生產(chǎn)要求的提高，使得人們對物體測量位移尺寸的要求也變得越來 越高，甚至在必要時(shí)要精確到微米級(jí)甚至是納米級(jí)，但傳統(tǒng)的測量工具已經(jīng)逐漸的落 伍，如皮卷尺、直尺和千分尺都已經(jīng)不能滿足要求， 一些大型實(shí)驗(yàn)室的精密儀器可以 測量，但是

2、價(jià)格昂貴，不能普及。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，針對位移特別是微小位 移的測量方法應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，如雨后春筍般出現(xiàn)，基本上現(xiàn)在的位移測量和信號(hào)分析 大多是靠電子儀器來實(shí)現(xiàn)的。對于這種情況，本課題尋求的是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單且廉 價(jià)的微位移測量系統(tǒng)。隨著機(jī)械工業(yè)的迅猛需要，在大位移的測量逐漸滿足不了測量要求的時(shí)候， 這就 促使著測量技術(shù)逐漸的向微小位移測量的方向發(fā)展。 其測量方式也發(fā)生著本質(zhì)性的改 變，由以前粗略的純手工測量轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為精準(zhǔn)的系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)測量，而測量方法也由單純的機(jī)械測量衍化為更為先進(jìn)的光電技術(shù)參與的復(fù)雜測量。 當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器 系統(tǒng)正邁入飛速發(fā)展階段，并且開始向著多功能化、微小型化、和

3、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。今后，隨著 CAD 技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)成熟發(fā)展，未來 的傳感器系統(tǒng)必將變得更加多功能化、普遍化、微型化、智能化和系統(tǒng)化。在各種新 興科學(xué)技術(shù)大肆發(fā)展、并應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的當(dāng)今社會(huì)，作為現(xiàn)代科學(xué)最為有力并應(yīng)用最為 廣泛的傳感器技術(shù)，并且是作為人們可以更快的獲取并分析利用有效的各種信息的基 礎(chǔ)，傳感器技術(shù)必將會(huì)進(jìn)一步得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注并注定會(huì)承載著其在未來需要 發(fā)揮的作用。傳感器的市場必將在未來的發(fā)展中更加壯大、 也會(huì)顯現(xiàn)出它在各個(gè)領(lǐng)域 的威力。伴隨著電子技術(shù)進(jìn)入的黃金發(fā)展期，現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)也解決了電容式傳感器曾經(jīng) 存在的許多技術(shù)問題，完善了電容式傳感器

4、的功能與應(yīng)用，傳感器的應(yīng)用意義可以說 是無與倫比，工業(yè)生產(chǎn)、信息探索都有著傳感器的身影。 傳感器的應(yīng)用不僅僅是再 局限于精確測量角位移、厚度以及振動(dòng)等物理量的測量，現(xiàn)代的傳感器更是引申到了 測量力、壓力、壓差、流量、溫度等參數(shù)的先進(jìn)技術(shù)，甚至于在自動(dòng)檢測與控制系統(tǒng) 中也會(huì)發(fā)揮著極其重要的作用。隨著電容傳感器技術(shù)的成熟，它早已滲透到社會(huì)發(fā)展 的各個(gè)領(lǐng)域中。無論是機(jī)械生產(chǎn)、宇宙探測、資源開發(fā)、還是文物保護(hù)、生物工程等 偏僻領(lǐng)域都有著傳感器的身影。甚至可以毫不夸張地說，上到廣闊的太空，下到浩瀚 的海洋，不管說是復(fù)雜的還是簡單的工程系統(tǒng)， 幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各 種各樣的傳感器。傳感器成為了

5、現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展基石。 基于微小位移的測量，傳感器的 應(yīng)用也是非常的廣泛，而且其造價(jià)更是適中，而且優(yōu)點(diǎn)眾多，因此此次設(shè)計(jì)是利用電容傳感器來完成的目前,對于微位移測量已日趨成熟，有多種方法來實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)，如,差動(dòng)電容小 位濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-2-移傳感器的設(shè)計(jì)，激光位移傳感器測量、光纖位移傳感器的設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)的電 容式位移測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但綜合比較這幾種方法，再通過圖書館查閱各種資料，綜 合構(gòu)思出了利用電容傳感器構(gòu)成的非接觸角位移測量系統(tǒng)，再配合單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理及控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，并就此理論來完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得測量系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)適 宜、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)快、測量范圍廣、抵抗惡劣環(huán)境等一

6、系列特點(diǎn)。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀電容測微計(jì)可以算是近年來發(fā)展最快的位移測量方法之一。起始時(shí)間很早，早在1910 年，委利(Villey.J )就開始應(yīng)用電容器的原理來測量小位移，雖然那時(shí)還不 成熟甚至于說是生澀，但卻是開始了電容傳感器的歷史并開始顯現(xiàn)， 但是直到惠丁頓 (Whiddi ngton,R.,1920)的超測微計(jì)問世后才引起人們對電容傳感器的廣泛注意，它 已能分辨電極間距1 埃的變化。位移傳感器的研究生產(chǎn)在國內(nèi)外已經(jīng)有很長的歷史， 長時(shí)間的研究使其有了長足的發(fā)展并形成了全球的系統(tǒng)化。國外也有許多公司和研究所專門針對傳感器的研制和生產(chǎn)， 其中，作為傳感器技 術(shù)領(lǐng)先者的國際知名品牌 TURC

7、K直是深受人們關(guān)注和重視。2005 年初，其公司帶 來了其極具創(chuàng)新意義的產(chǎn)品：新一代的電感式傳感器 UPRO 十。新一代傳感器的核心 技術(shù)是采用的具有專利技術(shù)的柔性多線圈系統(tǒng)替，而不是傳統(tǒng)的空氣線圈。日前，最為先進(jìn)的三端電容傳感器代表著電容傳感器的技術(shù)領(lǐng)先程度，其最小的已可測出 5X10-5卩 m 的微位移，關(guān)于其穩(wěn)定性方面，甚至已經(jīng)達(dá)到每天漂移幾個(gè) 10-9 伽程度，其線性優(yōu)于 1.5%。還有 UPRO)十傳感器具有無與倫比的性能特性，其技術(shù) 核心主要體現(xiàn)在三方面：(1) 首先是創(chuàng)造性的印刷電路板線圈結(jié)構(gòu)；(2) 再次是柔性多線圈系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)落后的鐵芯纏繞線圈以及其上一代的產(chǎn) 品所采用的空

8、氣線圈；(3) 第三是采用了高性能的集成電路芯片。對于我國的電容傳感器技術(shù)的發(fā)展，天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)試驗(yàn) 室里的許多老師對于電容傳感器都有獨(dú)到的研究， 他們發(fā)明和制作了許多應(yīng)用電容作 傳感器的測量儀器，應(yīng)用在現(xiàn)代生產(chǎn)中。國內(nèi)有許多院校、廠家以及科研單位從事傳 感器的研制和開發(fā)，并一直在跟隨著世界發(fā)展的水平。電容傳感器存在許多讓人們 對其抱有希望的優(yōu)點(diǎn)，包括靈敏度高、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此 很早的時(shí)候就有人利用它來測量位移、厚度、溫度、振動(dòng)等。但由于當(dāng)時(shí)電容傳感器 本身存在一些問題和缺陷，技術(shù)發(fā)展不夠成熟，使它的應(yīng)用受到了一定的制約。近二十年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)

9、展，電容傳感器開始凸現(xiàn)其優(yōu)越性，小型元件的出現(xiàn)， 使得電子線路能靠近傳感器，這就降低了噪聲，提高了靈敏度，進(jìn)一步完善了電容傳 感器。目前，全球的傳感器市場在不斷變化，傳感器的這份大蛋糕也被各種公司、 實(shí)驗(yàn) 室競爭搶占，傳感器的發(fā)展在其創(chuàng)新中又呈現(xiàn)出了快速增長的趨勢。 許多的專家指出， 傳濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-3-感器領(lǐng)域的主要技術(shù)在未來的發(fā)展中會(huì)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化， 競爭也將日趨激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未 來的傳感器市場，并成就傳感器的輝煌。1 3 研究內(nèi)容與目標(biāo)所謂的電容傳感器，就是利用各種元件檢測對象物的物理變化量， 通過將該變化 量轉(zhuǎn)換為

10、距離，來測量從傳感器到對象物的距離位移的設(shè)備。電容傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將電信號(hào)通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路反映在顯示器上。 為了達(dá)到這一效果，通常將可變位置滑塊定置在傳感器的下方， 通過滑塊在軌跡上的 位移來測量微小的位移。傳感器連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微安培的小電流，再通 過電路轉(zhuǎn)換在示波器的顯示，然后在 PC 機(jī)上完成微小位移的計(jì)算。1.3.1 研究內(nèi)容該設(shè)計(jì)題目屬于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，應(yīng)用到課程包括：測試技術(shù)、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械零件、機(jī)電傳動(dòng)、機(jī)械制圖、理論力學(xué)、 材料力學(xué)、機(jī)械制造及基礎(chǔ)、互換性與技術(shù)測量、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助電

11、路設(shè)計(jì)、 計(jì)算機(jī)輔助繪圖等。電容傳感器的測量原理就是需要將所測的力學(xué)量通過電路變換，使其成為電信號(hào)后進(jìn)行放大和處理，并在 PC 機(jī)上顯示出測量結(jié)果。根據(jù)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，完成基于電容傳感器的微位移測量系統(tǒng)的的整體設(shè)計(jì)，包括微小位移的產(chǎn)生和進(jìn)給系統(tǒng)、傳感器安裝和固定系統(tǒng)、手動(dòng)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分通過資料顯示，從能量轉(zhuǎn)換的方向上來說，電容其實(shí)變換器其實(shí)就是無源變換器， 另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量 極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求， 在精密測量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到15 卩 m 數(shù)量級(jí)。下面主要介紹下

12、電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)及選擇原因(1)測量范圍大：其相對變化率可超過 100%(2) 靈敏度高：如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達(dá)10-7 數(shù)量級(jí)；(3) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測量，也 可靜態(tài)測量；(4) 穩(wěn)定性好：由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，眾所周知無機(jī)材料在高溫、低溫強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射下不會(huì)出現(xiàn)形變與失效等情況，故電容傳 感器可以在惡劣的環(huán)境下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。根據(jù)我們自己了解的位移測量，就專業(yè)知識(shí)了解，力學(xué)量中的角位移、線位移、厚度、拉伸量、變形等都跟長度有著密切相關(guān)聯(lián)系的量；都是需要測量的長度單位， 這

13、些量又都是需要通過長度或者長度比值進(jìn)行測量的量，而其測量方法的相互關(guān)系也 很密切。這就提濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-4-示了我們在對這些物理量進(jìn)行測量的時(shí)候可以采用一種相同的傳感器 進(jìn)行測量，并都需要進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換，以達(dá)到精確測量的目的。1.3.2 研究目標(biāo)該系統(tǒng)的指標(biāo)如下：1.系統(tǒng)最大檢測位移為 1mm2.位移進(jìn)給采用螺旋傳動(dòng)；3.位移轉(zhuǎn)換采用楔形裝置；4.位移進(jìn)給裝置應(yīng)具有讀數(shù)功能。濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-5-2 微位移測量的原理電容測微儀就是將被測位移轉(zhuǎn)化為電量變化的微位移測量儀，它具有頻率響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、輸出信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，測量為非接觸方式、不產(chǎn)生 測力變形等特點(diǎn)。2.1 電容測微系統(tǒng)

14、JDC 非接觸式電容測微儀是由電容傳感器、螺旋測微儀、微動(dòng)測量臺(tái)架、 顯示器、標(biāo)準(zhǔn)量塊以及單片機(jī)系統(tǒng)組成的，儀器的系統(tǒng)組成示意圖如圖2-1 所示：圖 2-1 JDC 型電容傳感器測試系統(tǒng)原理圖圖 2-2 為 JDC 型電容傳感器測試系統(tǒng)的示意圖圖 2-2 JDC 型電容傳感器測試系統(tǒng)的示意圖電容傳感器運(yùn)算電路的原理如圖 2-3 所示，根據(jù)反饋放大原理，當(dāng)放大器的開環(huán) 增益AV和輸入阻抗 Zi足夠大的時(shí)候，放大器的閉環(huán)輸出為：BC 5C倍塊感量傳微型打印機(jī)微動(dòng)工作臺(tái)雙屏蔽電纜8位LE顯示器鍵盤濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-6-V。ZF乙VS濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-7-其中，ZF1傳感器電容 CT的阻抗2冗f CT

15、Zi1固疋電容 Co的阻抗2nf CoVs信號(hào)源電壓把 ZF、ZI 帶入上式，有：VSC）上式中由于 濟(jì)為常量，因此輸出電壓 VO 與傳感器兩極板間的距離 h 為線性關(guān)系運(yùn)算式線路的主要特點(diǎn)是：1） 由于輸出電壓與 h 之間為線性關(guān)系，故而從原理上消除了 CT h 非線性關(guān)系 所帶來的影響，整機(jī)的非線性誤差小，測量精度高。2） 輸出電壓與 CO/CT 的比值有關(guān)，且由于電纜的分布電容可以通過采用“驅(qū)動(dòng) 電纜技術(shù)”而加以基本消除，因此傳感器的電容可以很小，即也可以把側(cè)頭直徑做的 很小。2.2 電容傳感器的原理結(jié)構(gòu)傳感器為一個(gè)平板，被測件為另一個(gè)平板。它們構(gòu)成了一個(gè)平行板電容器，電容VOVsC。o

16、S濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-8-與極距、介電常數(shù)、極板面積之間的關(guān)系為: 其中；一一介質(zhì)的介電常數(shù)；S 極板的面積；-極板間的距離；CT傳感器電容（F）測微原理如圖 2-5 所示：利用電容 C= & S/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&、S、d 中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中 一個(gè)參數(shù)，則可以有測谷物濕度、測位移和測量液位等多種電容傳感器。圖 2-5 電容傳感器測微原理電容傳感器的工作原理：平面變間隙式電容傳感器是由兩個(gè)相互平行的平面極板 組成的（通常是由被測件作為固定極板，測頭作為可動(dòng)極板），它們構(gòu)成了一個(gè)平行 板電容器（圖 2-6 所示）電容

17、傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 7 所示。圓柱型傳感器是由三個(gè)同軸層組成的： 中心部分為金屬測頭，作為平行板電容器的一個(gè)極板，其橫截面積就是電容器的有效 作用面積；最外層是保護(hù)環(huán)，它的設(shè)置是為了改善傳感電容器在有效作用面積內(nèi)電場 的邊緣效應(yīng)，使有效作用面積區(qū)內(nèi)的電力線基本不發(fā)生彎曲，從而使傳感器的電容量與極板間距之間保持規(guī)則的關(guān)系。 保護(hù)環(huán)應(yīng)該與測頭等電位，并且應(yīng)與測頭絕緣，才 能起到上面的作用，因此在測頭與保護(hù)環(huán)之間加上一絕緣層， 并且用電氣方法使測頭 與保護(hù)環(huán)等電位，同時(shí)必須保證它們之間電氣絕緣。 由于傳感器電容量一般很小，因柱圓簡2圓筒iClC2連桿o濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-9-此傳感器必須用特殊

18、的電纜并采取特殊的技術(shù)措施連接到儀器的測量線路中。(1) 傳感器電場的邊緣效應(yīng)會(huì)使。與 h 之間的關(guān)系變得極為復(fù)雜，一般是通過前 述的加保護(hù)環(huán)的方法加以解決。同時(shí)，在進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選取保 護(hù)環(huán)的內(nèi)外直徑。(2)當(dāng)被測表面不是平面時(shí)(例如軸、孔的表面)，CT與 h 之間的關(guān)系不是式(2 1)的關(guān)系，此時(shí)可以在滿足各種技術(shù)要求的前提下盡可能地選用小直徑的測頭，或?qū)y頭端面設(shè)計(jì)與被測表面相對應(yīng)的形狀。(3)根據(jù)電容傳感器的電容計(jì)算公式，與 h 之 CT間為非線性的雙曲線關(guān)系，為了使 儀器的輸與輸入的位移之間保持線性關(guān)系，在轉(zhuǎn)換電路中要采取必要的措施。2.3 電容傳感器的分類電容傳感

19、器是將被測物體參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容變化的測量裝置。 從電容傳感器 結(jié)構(gòu)及型式上來看，目前主要有平面變極距型、平面變面積型、平面變介質(zhì)型等類型， 在一些特殊場合下也采用曲面型的上述傳感器。 在這些傳感器中，最基本的就是平面 變極距型，它主要用于精密位移、振動(dòng)測量，精密定位及其他一些測控場合。2.3.1 變極距型電容傳感器變極距型平行板電容傳感器應(yīng)用較其他最為廣泛，主要用于測量微小位移和振動(dòng) 變化等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-8 所示，圖2-8平行板電容器變極距示意圖其中 I 為可動(dòng)極板，2 為固定極板，當(dāng)動(dòng)片 1 因被測量變化引起移動(dòng)時(shí)，就改變圖 2-6 電容傳感器原理圖圖 2-7 電容傳感器結(jié)構(gòu)示

20、意圖S濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-10-了兩極板間的初始距離 h,從而改變了電容量 C。我們本次設(shè)計(jì)用的就是變極距型電 容傳感器。楔形塊與電容傳感器之間形成極板間距，隨著楔形塊地移動(dòng)導(dǎo)致電容量的 變化，通過電路轉(zhuǎn)換從而達(dá)到微小位移測量的實(shí)現(xiàn)。其電容值的計(jì)算公式為c式中：K電容系數(shù)（K=1/ （1.36n） =0.08846pF/cm）,即真空中介電常數(shù)；S- 極板面積（cvm）；h-極板間距（cm）;；-介質(zhì)相對介電常數(shù)。2.3.2變面積型電容傳感器如圖 2-9 所示，該圖表示為變極板相對面積的電容傳感器，設(shè)兩極板間遮蓋面積 為 A（A=a . b）,當(dāng)其中一極板沿 x 方向移動(dòng)時(shí)，遮蓋面積 A 就發(fā)生

21、變化，此時(shí)其電容 值 Cx為：Cx=ksb（a-%=C0（1 畝）式中：C0二k；Ah二k；bah其靈敏度為：S =d%x =k耳%因此通過公式我們可以看出，b 的增加或者是 h 的減小都可以提高傳感器的靈敏 度，極板寬度 a 對靈敏度沒有影響，但是對于邊緣效應(yīng)卻有影響。當(dāng)然，變面積型電 容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出呈良好的線性， 量程更是不受線性范圍的限制，由于其有如此 特性，因此它可以適用于檢測較大直線位移和角位移等參數(shù)，相應(yīng)的，其缺點(diǎn)就是該類型的傳感器與變極距型的電容傳感器相比，其靈敏度較低，測量相對不準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生大的誤差。x圖 2-9變面積型電容傳感器2.3.3 變介質(zhì)型電容傳感器這種傳感器

22、有較多的結(jié)構(gòu)表示形式。因?yàn)橹灰趥鞲衅髦械慕橘|(zhì)的介電常數(shù)&不 同，便可以存在多種結(jié)構(gòu)表達(dá)形式。何謂變介質(zhì)型，即在兩電極板間增加不同的介質(zhì) 時(shí)，介電濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-11-常數(shù)&將會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變，介電常數(shù)的變化，當(dāng)然會(huì)使電容量也隨之改變。 由于其存在這種特性，也就是表明了這種傳感器的特殊應(yīng)用所在。 通過表達(dá)式C二蟲6 我們可以看出，介電常數(shù)的變化導(dǎo)致著電容量的變化。因此變介質(zhì)型電容傳感器常用于檢測容器液位高度或測量材料厚度。因?yàn)榻殡姵?shù)中，液體也可以用來做介電常數(shù)。如圖 2-10 為一種變極板間介質(zhì)的介電常數(shù)的電 容傳感器，用于測量液位的結(jié)構(gòu)原理圖，通過圖示我們可以很明了的看出

23、其測量液位 的原理。圖 2-10 變介質(zhì)型液位電容傳感器濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-12-3 微小位移測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算此系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)部分包括底座， 絲杠，傳感器支架，滑塊軌道。特別指出的是， 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在測量精度的范圍以及精度都不同，故在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要將傳感器支架設(shè)計(jì)為了兩個(gè)，其目的是更方便的夾住大小直徑不同的電容傳感器，這樣的好處是完成測量精度范圍的測量應(yīng)用，而底座，滑塊則是通過參考同類產(chǎn)品可知需滿足產(chǎn)品 的尺寸即可。故只需對絲杠進(jìn)行計(jì)算。另外，對于底座的設(shè)計(jì)尤為注意，要特別進(jìn)行 加工。3.1 絲杠的設(shè)計(jì)及計(jì)算總體來說，滑動(dòng)螺旋副的主要作用很簡單，就是支撐傳感器夾具的重量，牢固的 支撐電容傳

24、感器，所以絲杠的設(shè)計(jì)主要是他的強(qiáng)度， 絲杠的耐磨性。因此我們現(xiàn)在可 以確定選用的材料是 45。下面要完成的是對絲杠的計(jì)算，以達(dá)到要求的精度。絲杠中徑 d 的計(jì)算，單位 mm：通過對專業(yè)課本查找，梯形螺紋和矩形螺紋的計(jì) 算公式：d78其中：F 是軸向載荷，單位 N,假設(shè) F=1000NP是材料的需用應(yīng)力，單位 MPa,轉(zhuǎn)速為低速，則查機(jī)械設(shè)計(jì)p=iOMPa 整體式螺母，取 =2;帶入計(jì)算 d AOEf100故可得 d 色 5.6mm熾10基于本課題測量的精度問題，我們必須確定的是不能讓絲杠發(fā)生彎曲變形，所以絲杠的直徑不能取得太小，否則會(huì)影響測量精度。故可取絲杠的公稱直徑d=40mm查表可知：導(dǎo)程

25、和螺距都為 L0=P=3mm 所以齒高為 2mm 由于所選絲杠的直徑遠(yuǎn)大于所需要的，所以所選的絲杠定能滿足使用要求。如圖3-1 所示為絲杠的示意圖:&濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-13-沁L繪二11XT二H*5-71圖 3-1 絲杠3.2 傳感器支架的設(shè)計(jì)對于傳感器支架的設(shè)計(jì)，由于這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最后要求的是對測量精度要有一個(gè)測 量范圍，而不是單一的大小，故此我們需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候設(shè)置兩個(gè)傳感器支架來達(dá)成 課題設(shè)計(jì)的目的。由于傳感器支架需要支撐傳感器， 對其強(qiáng)度要求高，因此本設(shè)計(jì)儀 器選擇傳感器支架的材料為 HT20Q 其采用的方法為鑄造。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的測微系統(tǒng)對精度的要求不同，需時(shí)常調(diào)整傳感器支架的位置來

26、達(dá)到測 微目的，所以對傳感器支架設(shè)計(jì)精度的要求不是很高，其主要是起到一個(gè)夾持固定目的。傳感器支架要固定在絲杠上，通過下方的調(diào)節(jié)圈來調(diào)節(jié)傳感器支架的位置，以此來完成對傳感器位置的調(diào)整，最終控制測量的精度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求作出了如下的設(shè)計(jì)： 小傳感器長為 122mm 寬為 46mm 大傳感器支架的長為 144mm 寬為 46mm 圖 3-2 為傳 感器支架的示意圖：圖 3-2 傳感器支架3.3 底座的設(shè)計(jì)對于底座的設(shè)計(jì)，其主要是起一個(gè)支撐作用，實(shí)現(xiàn)與絲杠的配合以達(dá)到對其支撐 的目的。其要求材料強(qiáng)度高，對精度沒什么太大要求。故在材料上同樣也選擇 HT20Q 采用的是鑄造的方法。為了與絲杠的配合，在傳感器

27、底座上要進(jìn)行成孔設(shè)計(jì)， 其次底 座還要使下滑塊進(jìn)行平行移動(dòng)，故在底座上設(shè)計(jì)了一個(gè)燕尾型導(dǎo)軌，并且要配合螺栓 對楔形塊進(jìn)行固定。因此對底座的結(jié)構(gòu)要求稍大。-14-圖3-3底座底座的設(shè)計(jì)尺寸為：長 160mi，寬 100mm 這樣的設(shè)計(jì)會(huì)是在生產(chǎn)過程中對底座的 加工稍顯麻煩，但是這樣的設(shè)計(jì)也會(huì)使使用者對其原理一目了然，更便于操作。3.4 滑塊軌道的設(shè)計(jì)滑塊導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)關(guān)乎到該測微裝置的精確度，故在設(shè)計(jì)的時(shí)候需對其作特別的計(jì) 算與設(shè)計(jì)，同時(shí)由于本系統(tǒng)要求的精確度較高，故對滑塊軌道的選擇應(yīng)該選用強(qiáng)度高， 并且耐磨性好不易變形的材料，所以我們選擇 40Cr 作為軌道材料。而系統(tǒng)需通過楔形 裝置滑塊的位移變

28、化來進(jìn)行測量。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度的要求，為了達(dá)到預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)目的，因此滑塊軌道的斜度設(shè)計(jì) 為1:50。通過螺旋測微器橫向的位移，來使楔形塊上塊有一個(gè)豎直方向的微小位移。 滑塊軌道的上滑塊與滑塊軌道的滑動(dòng)要保持一定的潤滑性，以保證楔形塊的自由運(yùn) 動(dòng)，達(dá)到精確度，因此在設(shè)計(jì)之初要在滑塊軌道上設(shè)計(jì)出油槽，以方便潤滑保證測量精度。根據(jù)查閱大量的資料與課本專業(yè)知識(shí)，滑塊軌道的設(shè)計(jì)圖如圖3-4 所示。這樣的設(shè)計(jì)就保證了楔形塊地合理運(yùn)行，并可以達(dá)到高的精確度，符合設(shè)計(jì)要求。/融ii/*-1圖 3-4 滑塊軌道平面圖濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-15-4微位移測量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)傳感器選用平行平面式變極距型電容傳感器。根據(jù)這種

29、電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)與特 性，這種電容傳感器一般是用來測量微小量， 諸如微小位移測量、振動(dòng)、塑模厚度等。 在測量范圍上可以測到 0.01 um 至零點(diǎn)幾 mm 距離等。本系統(tǒng)通過電容傳感器采集微 小位移距離信號(hào)，將其變換成電容量的變化，這樣就可以在顯示器上表達(dá)出來。測量 電路由差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路、放大電路和濾波電路 3 部分組成。（1）差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路；圖 4-1 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖圖 2 所示為原理圖，包括比較器，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及基礎(chǔ)電容、傳感器電容與二極 管，電阻組成的充放電回路。（2）放大電路的電壓增益及放大采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路；（3） 濾波電路的電壓增益采用低通有源濾波電路，此電

30、路由一級(jí) RC 低通濾波電路和 同相比例電路組成，它不僅有濾波功能，而且能起放大作用。輔助電路及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)采用 ATmega16L 單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。ATmega16L 單片機(jī)集成了 8 通道 10 位高精度的逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，由測量電路所采集到 的模擬電壓信號(hào)可直接接入 ATmega16L 單片機(jī)模擬信號(hào)輸入引腳（ADC 的模擬信號(hào) 輸入引腳與 PA口復(fù)用），即可實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。ATmega16L 單片機(jī) I/O 口具有（吸入 電流）1020 MA 或40 MA （單一輸出）大電流，可直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示器。另外，對 于譯碼、驅(qū)動(dòng)現(xiàn)實(shí)電路采用動(dòng)態(tài) LED 顯示方式，并選用了

31、共陰接法的四體連動(dòng)型數(shù) 碼管 TOF-3461AH 可直接顯示四位數(shù)碼。 ATmega16L 單片機(jī)具有 32 個(gè) I/O 接口，分別為 PA PB PC 和 PD 四組。 每個(gè) I/O 口都可以獨(dú)立地設(shè)置為輸入或者輸出。設(shè) 置成輸入口時(shí)，可以由程序指定是三態(tài)還是接上電阻輸入； 設(shè)置成輸出口時(shí)，灌電流 可達(dá) 40 mA 能夠直接驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管顯示，省去了驅(qū)動(dòng)電路。對于譯碼部分，采用 硬件譯碼缺乏靈活性，所以本設(shè)計(jì)是以軟件來代替硬件譯碼，這樣就省去了譯碼電路?，F(xiàn)今我國主流使用的單片機(jī)是 MCS-5 係列單片機(jī)，MCS-51 系列單片機(jī)包括 8031、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-16-8051、875

32、1 三種單片機(jī)。下面具體的對這三種單片機(jī)進(jìn)行比較分析：（1） 8751 具有 EPROM 但價(jià)格昂貴，很適合開發(fā)樣機(jī)，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn) 場進(jìn)一步完善的場合；（2） 8051 的 EPRO 程序是 In tel 公司制作芯片時(shí)為用戶制備的，因此在國內(nèi)很 難采用 8051 型芯片，（3） 8031 片內(nèi)沒有 ROM 需擴(kuò)展 ROM基于本課題的使用要求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)適合性上，我們選用了使用很廣的MCS-51 系列單片機(jī)中的 8051 單片機(jī)。本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方面主要需用 8051 一塊，74LS373 一 塊，6264 塊，ICL7109 一塊，8155 一塊，ICL7109 塊。下面主要對重要芯片

33、的引 腳及功能進(jìn)行介紹。濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-17-大學(xué)四年的學(xué)習(xí)，尤其是在通過近一學(xué)期的畢業(yè)課程設(shè)計(jì)，使我無論是在專業(yè)知 識(shí)方面，還是實(shí)踐畫圖方面都有了長足的進(jìn)步，并系統(tǒng)的自己完成了一次裝備設(shè)計(jì)。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，也遇到了諸多的實(shí)際性的問題，尤其是剛拿到課題的時(shí)候，都 無從下手，深切感受到了對所學(xué)知識(shí)的茫然， 然后是通過查詢資料，翻閱課本等將四 年所學(xué)系統(tǒng)的總結(jié)了起來。具體的是大約兩個(gè)月的時(shí)間吧，使我在專業(yè)所學(xué)方面得到 了較大的提升，深切體會(huì)了四年所學(xué)，并成功應(yīng)用在了畢業(yè)設(shè)計(jì)中本系統(tǒng)中主要是包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分和電路轉(zhuǎn)換部分。 在論文中也分別對上述兩部 分作了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，尤其對系統(tǒng)中各個(gè)重要

34、部分的設(shè)計(jì)計(jì)算基本能滿足了課題的 設(shè)計(jì)精度及設(shè)計(jì)功能的要求。最后還是成功的完成了課題的設(shè)計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。就各種資料和設(shè)計(jì)計(jì)算看來，利用電容傳感器測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微距測量的方法是可 取的，改變電容傳感器夾板間的距離就可以測量不同范圍的量?？傮w來說，該測量系統(tǒng)還是實(shí)現(xiàn)了微距測量的智能化、實(shí)時(shí)性以及非接觸測量的精確性。為進(jìn)一步提高整 個(gè)測量系統(tǒng)的測量精度，在傳感器的機(jī)械加工尺寸精度、楔形塊定位等方面還需進(jìn)行 改進(jìn)和提高，另外電路部分的小型化和模塊化也需進(jìn)一步完善。由于自己專業(yè)知識(shí)的不精和范圍所限， 該系統(tǒng)依然會(huì)存在許多不足之處。例如其 自動(dòng)化程度不高，人力的地方很多；機(jī)械裝置過于簡單；整體設(shè)計(jì)沒有

35、美觀感；效率 不高。在此也衷心希望有志之士可以設(shè)計(jì)出高效率， 低能耗的優(yōu)秀檢測系統(tǒng)，使我國 的檢測系統(tǒng)更加的向國際化邁進(jìn)。1.基于 C8051F 單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究2.基于單片機(jī)的嵌入式 Web 服務(wù)器的研究3.MOTOROLA 單片機(jī) MC68HC （ 8）05PV8/A 內(nèi)嵌 EEPROM 的工藝和制程方法及對良率的影響研究4.基于模糊控制的電阻釬焊 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制5.基于 MCS-51 系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-18-6.基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR ）調(diào)節(jié)器7.單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究8.基于增強(qiáng)型 51

36、系列單片機(jī)的 TCP/IP 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)9.基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)10.基于 32 位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究11.基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究12.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)13.基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制14.基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究15.基于 C8051F040 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)16.基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)17.模糊 Smith 智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)18.一種基于單片機(jī)的軸快流 CO,2激光器的手持控制面板的研制19.基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究20.基于 CYGNAL 單片機(jī)的

37、在線間歇式濁度儀的研制21.基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制22.基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)23.基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究24.基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)25.基于 PIC 單片機(jī)的智能手機(jī)充電器26.基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究27.基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究28.基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制29.基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)30.單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究31.基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測儀的研制32.基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制33.基于 PIC 單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用34.基于

38、單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制35.氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制36.基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器37.基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究38.基于單片機(jī)的光纖 Bragg 光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究39.單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制40.基于 C8051F020 單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測儀41.基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.Pico 專用單片機(jī)核的可測性設(shè)計(jì)研究43.基于 MCS-51 單片機(jī)的熱量計(jì)44.基于雙單片機(jī)的智能遙測微型氣象站45.MCS-51 單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究46.基于單片機(jī)的輪軌力檢測47.基于單片機(jī)的 GPS 定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)48.基于單

39、片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)49.用于單片機(jī)系統(tǒng)的 MMC 卡文件系統(tǒng)研制50.基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究51.基于單片機(jī)和 CPLD 的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究52.單片機(jī)控制的后備式方波 UPS濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)-19-53.提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究54.基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究55.基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究56.基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)57.基于 UPSD3234 單片機(jī)的氚表面污染測量儀的研制58.基于單片機(jī)的紅外測油儀的研究59.96 系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)60.基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造61.基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)62.基于 MSP430 單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制63.基于單片機(jī)的氣體測漏儀的研究64.基于三菱 M16C/6N 系列單片機(jī)的 CAN/USB 協(xié)議轉(zhuǎn)換器65.基于單片機(jī)和 DSP 的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究66.基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)67.基于 AVR