課程設(shè)計報告調(diào)幅式電容位移傳感器

3昆明理工大學課程設(shè)計課程設(shè)計報告調(diào)幅式電容位移傳感器學院學科專業(yè)測控姓名學號指導教師起止周期13周——16周提交日期2015年1月8日昆明理工大學課程設(shè)計正文第1章緒論1.1課程設(shè)計研究的背景和意義隨著現(xiàn)代工業(yè)信息技術(shù)進一步發(fā)展，納米技術(shù)和MEMS在各行各業(yè)中均取得了驚人地發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。在納米技術(shù)領(lǐng)域，納結(jié)構(gòu)、納米測量技術(shù)和納米加工技術(shù)被列為納米技術(shù)的三大研究主題。與此同時，納米測量技術(shù)的研究作為納米技術(shù)研究的重要組成部分，其技術(shù)水平很大程度上取決于位移傳感器技術(shù)水平。傳感器是自動測試、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其技術(shù)水平的發(fā)展一直推動著自動化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的技術(shù)提升?，F(xiàn)如今，運用于超精密測量領(lǐng)域的傳感器家族中，進行納米分辨力測量的傳感器主要有電容位移傳感器、電感位移傳感器以及光干涉位移傳感器。這三類位移傳感器在技術(shù)原理上和應(yīng)用方向上有著各自的特點。其中電容位移傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、抗干擾能力強、動態(tài)特性好，對高溫、強輻射等惡劣條件適應(yīng)能力強，并且能進行非接觸測量等優(yōu)點，在航空航天、超精密裝備技術(shù)、精密儀器、超精密測量與控制等技術(shù)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。我國政府十分重視對位移傳感技術(shù)的研發(fā)，國家“863規(guī)劃”、“十一五計劃”、“十二五計劃”均把納米傳感技術(shù)納米加工技術(shù)列為重大研發(fā)項目。近年來，為了實現(xiàn)微納米分辨力微位移測量，國內(nèi)外科研機構(gòu)和學者提出了多種測量方法，歸納起來不外乎光學測量方法、原子力顯微鏡法和電學測量三類方法。作為電學測量方法典型代表的電容位移傳感器以其獨特的優(yōu)良性能在高精度微位移測量和控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并且逐步朝著高精度化、智能化、便攜化和模塊化的趨勢發(fā)展在電容位移傳感器方面，美國MTI公司、德國米銥(MICRO-EPSILON)公司和PI公司等世界知名測量儀器制造公司都相繼推出了其高分辨力、大量程、高頻響的高水平電容傳感器產(chǎn)品，占據(jù)了世界上電容位移傳感器市場絕大部分的份額。國內(nèi)在電容傳感器領(lǐng)域的研究起步較晚，加上制造水平和技術(shù)水平的落后，使得我國在超精密測量領(lǐng)域?qū)﹄娙菸灰苽鞲衅鞯男枨髧乐匾蕾嚉W美產(chǎn)品的進口。因此，研制高分辨力、大量程、高頻響的電容位移傳感器，提升我國在超精密測量領(lǐng)域的技術(shù)水平有著重大現(xiàn)實意義。調(diào)幅式電容位移傳感器是電容傳感器家族中的一類，其技術(shù)特點是將電容極板位移信息調(diào)制在載波信號的幅度信息中，通過對調(diào)幅信號的處理和解調(diào)，得到被測電容雙極板的位移變化信息。電容位移傳感器為了滿足其高靈敏度、高線性度和微位移測量的功能要求，往往將測頭電容制作的很小，使得傳感器電容非常小，通常在pF級別。因此在設(shè)計過程中，常常將傳感器位移信息進行調(diào)制后經(jīng)過處理，再進行信號解調(diào)，以完成位移測量。調(diào)幅式電容位移傳感器，工作時其載波信號經(jīng)過幅值運算電路和信號調(diào)理電路，傳感器位移信號被調(diào)制于幅度信息中，然后通過幅值檢波將信號從調(diào)幅波中解調(diào)出來。信號的解調(diào)采用模擬方法和數(shù)字方法，模擬解調(diào)電路的穩(wěn)定性和精度完全取決于運算放大器、電阻、電容和電感元件的特性，易受外界干擾，穩(wěn)定性差；而傳統(tǒng)的數(shù)字解調(diào)方法，如數(shù)字相敏檢波方法，由于解調(diào)過程依賴于參考信號，而實際上電路中存在電容、電感器件，會造成調(diào)幅信號和參考信號之間的相位關(guān)系發(fā)生變化而無法準確捕捉到調(diào)幅信號的峰值，導致幅值解調(diào)不準確[8]。針對以往調(diào)幅式電容位移傳感器中存在的以上問題，本設(shè)計將延遲反饋式峰值保持技術(shù)應(yīng)用在調(diào)幅式電容傳感器的信號解調(diào)上，使得峰值采樣的準確性不受相位延遲的影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析電容位移傳感器在近年來取得了長足的發(fā)展，并逐步成為一種成熟的高精度微位移測量儀器。電容位移傳感器按照其結(jié)構(gòu)進行分類，可分為變面積型、變電介質(zhì)型和變極距型三種。變面積型電容傳感器，通過改變被測電容的有效工作面積來改變被測電容容值大小，實現(xiàn)對位移的測量，這種方法量程可以很大，從幾毫米到數(shù)十個毫米不等，但其分辨力難以達到納米級別，一般適用于大位移測量和位移的粗標定。如國防科技大學研制的變面積電容位移傳感器，在有效量程為100mm的測量范圍內(nèi)準確度為0.2mm。變電介質(zhì)型電容傳感器，被測物的位移信息帶動電容極板間電介質(zhì)的改變，以改變傳感器被測電容的容值，這類傳感器分辨力更差一些，無法運用于超精密測量。變極距型電容傳感器，通過改變被測電容兩極板間間距，來改變被測電容容值大小，實現(xiàn)對位移的測量，這種類型的傳感器靈敏度高，分辨力大，是納米分辨力測量的一種較為理想的方法。國內(nèi)外的應(yīng)用超精密測量與控制的電容傳感器基本上都是變極距型電容位移傳感器。電容位移傳感器由于其電容微小，通常是在pF級別，而由于測量電路的分布電容和雜散電容的存在而使得直接測量極板電容困難極大，因此在超精密測量領(lǐng)域，常常將電容變化調(diào)制到載波信號中，對調(diào)制信號進行信號處理后，將調(diào)制信號解調(diào)出電容變化信號，得到電容傳感器的位移信息。從信號的調(diào)制原理上劃分，電容傳感器可分為調(diào)幅式、調(diào)頻式和調(diào)相式，原理上調(diào)制針對的載波信號為正弦波，而調(diào)制類型也分別針對正弦波的三個參數(shù)(幅度、頻率、相位)進行的。調(diào)幅式電容位移傳感器是將電容極板的位移變化信息以電容變化信息的方式調(diào)制在載波信號的幅度當中，而載波信號的頻率是固定不變的，由信號發(fā)生設(shè)備設(shè)定。而調(diào)制信號的相位信息則可能隨著處理電路的參數(shù)變化而改變，也因此給解調(diào)帶來了一定的困難。近年來，歐美國家的精密儀器生產(chǎn)商紛紛推出了各自的電容位移傳感器產(chǎn)品，產(chǎn)品技術(shù)及性能指標均走在世界前列。表1.1國外電容位移傳感器研究現(xiàn)狀產(chǎn)商型號量程分辨力線性度頻響美國Micro-TrakAS-5000.254mm1.6nm0.1%F.S不詳美國Lion-precisionElite12.5mm0.05nm0.2%F.S10kHz德國PID-015系列1mm0.01nm0.5%F.S10kHz德國米銥CapaNCDT65002mm1nm0.1%F.S8.5kHz英國QueensgateNXNanosensor1.25mm0.1nm0.02%F.S5kHz歐美國家在電容位移傳感器領(lǐng)域研究開發(fā)時間長，技術(shù)和產(chǎn)品也已經(jīng)非常成熟。國內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚，技術(shù)相對落后，但近年來以天津大學為代表的國內(nèi)各大高校和科研單位在電容位移傳感器領(lǐng)域的研究仍然取得了較大的進步。天津大學JDC系列電熱位移傳感器在有效測量范圍為100μm時，在空氣介質(zhì)條件下分辨力優(yōu)于10nm，線性度優(yōu)于0.5%；中國科學院上海光學精密機械所聯(lián)合實驗室研制的電容位移傳感器，測量范圍在40μm時，分辨力優(yōu)于10nm;北京密云機床研究所研制的CW-210電容位移傳感器分辨力達到10nm，非線性誤差優(yōu)于0.5%；哈爾濱工業(yè)大學研制的MDS系列電容位移傳感器分辨力達到10nm，非線性誤差優(yōu)于0.5%。由此看來，國內(nèi)外在電容位移傳感器領(lǐng)域技術(shù)差距較大，努力發(fā)展超精密測量技術(shù)，趕超世界先進水平仍然任重而道遠。因此，研制高分辨力、高頻響、高穩(wěn)定性的電容位移傳感器具有重大意義。1.3調(diào)幅式電容位移傳感器中存在的主要問題從調(diào)幅式電容位移傳感器的原理上出發(fā)，目前，調(diào)幅式電容位移傳感器的主要問題有兩個方面，一方面是如何處理雜散電容和分布電容給傳感器系統(tǒng)帶來的精度問題甚至是影響系統(tǒng)穩(wěn)定工作的問題，電容測頭附近的雜散電容嚴重影響了系統(tǒng)的精度和線性度，而傳輸電容對地的分布電容數(shù)十倍于甚至數(shù)百倍于傳感器電容，如果這個分布電容疊加至測量系統(tǒng)，則傳感器微小電容會被分布電容所淹沒，使系統(tǒng)無法正常工作。另一個主要問題是信號的解調(diào)問題，信號調(diào)制后經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理，能否快速準確的進行解調(diào)，還原出電容極板的位移信息。隨著超精密測量和控制的發(fā)展，系統(tǒng)不僅對測量精度提出了高要求，同時還對測量速度頻率響應(yīng)提出了更高的要求。因此，如何設(shè)計并完善信號解調(diào)電路，使得信號解調(diào)精度高而且快，是對調(diào)幅式電容位移傳感器的一個更高的要求。綜上所述，為了實現(xiàn)納米級的調(diào)幅式電容位移傳感器的高精度高頻響測量，需要尋求一種抗干擾能力強，能夠去除雜散電容和分布電容的影響的信號調(diào)制方法；同時，需要完善信號解調(diào)模塊，使系統(tǒng)對調(diào)幅信號的檢波不僅能達到高分辨力，而且還能以高頻響穩(wěn)定工作，以達到超精密測量與控制中的高精度、高穩(wěn)定性和高頻響的要求。電容位移傳感器的工作原理對于電容位移傳感器來說，就是能把被測物位移變化信號轉(zhuǎn)換為電容變化信號，按一定規(guī)律的信號處理，通過測量電容變化從而得到被測物的位移變化信息的一種位移測量儀器。2.1電容傳感器的測量原理由電學知識，對于一個普通電容器來說，電容量和電容雙極板的有效正對面積等參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系可由式(2-1)來描述：（2.1）式中各單位量含義如下：C——電容值，單位pF；δ——兩極板間極距，單位nm；A——兩極板有效正對面積，單位mm2；ε——兩極板間電介質(zhì)的介電常數(shù)，單位F/m，空氣的介電常數(shù)為1F/m；ε0——真空中的介電常數(shù)，ε0=8.8542×10-12F/m；εr——電介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)，單位為1.由式(2.1)可知，改變電容極板間的介電常數(shù)ε、電容極板正對面積A或者兩極板之間的距離δ，均可以改變電容值C。而由此分類，可以將電容位移傳感器分別分為變介電常數(shù)型、變面積型和變極距型電容傳感器三種。如圖2.1所示，本設(shè)計研究的是變極距型電容位移傳感器，也即其他參數(shù)不變，諸如介電常數(shù)ε和雙極板正對面積A均不變，被測位移只帶動極板間距離δ變化，通過測量電容變化來測量位移。圖2.1變極距型電容示意圖同時，根據(jù)式(2.1)，變極距電容位移傳感器穩(wěn)定工作的前提是被測電容中有效正對面積A和電容中介電常數(shù)ε不變，因此，必須保證測量條件，使電容其他參數(shù)穩(wěn)定才能得到較為準確的測量結(jié)果。2.2傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖2.2所示為調(diào)幅式電容位移傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。整個傳感器測量系統(tǒng)可分為三部分，第一部分是前置電路，第二部分是信號調(diào)理電路，最后一部分是解調(diào)電路。解調(diào)電路的輸出由數(shù)據(jù)采集器采集，通過計算采集的數(shù)據(jù)計算還原出傳感器的位移信號。前置電路峰值保持精密整流信號調(diào)理輸出輸出前置電路峰值保持精密整流信號調(diào)理復位計時觸發(fā)器過零比較移相電路計時觸發(fā)器過零比較移相電路圖2.2傳感器系統(tǒng)原理圖2.3傳感信號的調(diào)制過程傳感器的前置電路原理如圖2.3所示。前置電路是基于變壓器電橋的AC橋路幅度調(diào)制電路，其主要作用是將由電容極板間隙的變化引起的傳感器電容值變化信息調(diào)制至正弦載波信號的幅值信息里，并對傳感器信號進行前置放大。該電路最主要的優(yōu)勢是對雜散電容的有效抑制。圖2.3前置電路原理圖前置電路中，由數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生一個頻率和幅值高度穩(wěn)定的載波信號，載波信號經(jīng)過變壓器電橋，產(chǎn)生等幅等頻相位相反的兩路載波信號，連接分別接有傳感器被測電容Cx和一個容值與被測電容近似相等的高度穩(wěn)定的參考電容Cr，電橋經(jīng)過分辨力放大電路后得到調(diào)制輸出如式(2.2)：(2.2)根據(jù)式(2.2)，當被測電容雙極板位移變化導致被測電容容值發(fā)生變化ΔCx，時，調(diào)制輸出的載波信號幅值發(fā)生變化為，因此通過測量載波信號的幅值變化信息就可以得到傳感器被測電容雙極板的位移信息，這就是調(diào)幅式電容位移傳感器的基本原理。圖2.3所示的基于變壓器電橋的AC橋路幅度調(diào)制電路，要求變壓器次級線圈對稱性高，參考電容高度穩(wěn)定，包括其溫度系數(shù)要小。同時，必須保證DDS產(chǎn)生的載波信號的幅值和頻率非常穩(wěn)定，使輸出信號的幅值變化只與傳感器被測電容變化有關(guān)，以達到提高整個傳感器系統(tǒng)的精度的目的。2.4峰值保持電路的工作原理延遲反饋峰值保持電路的基本原理如圖2.4所示：圖2.4延遲反饋峰值保持電路圖該電路是一個正峰值保持電路，分為兩部分:一部分為峰值保持部分，另一部分為復位電路部分。由于電子元器件的特性，該電路工作時有3個延時單元，分別為運放A1、保持器電容C和運放A2。運放A1的直接負反饋被二極管D1阻斷，其負反饋是由運放A2的輸出UO經(jīng)過電阻R2提供；而Uo的輸出相比輸入延時3個單元，因此運放A1的反饋是延時的。調(diào)幅信號經(jīng)過整流電路后變成正峰值信號，UI未達到峰值時，D1截止，D2導通，信號經(jīng)過運放A1對保持器電容C充電，保持器電壓逐漸增大，經(jīng)過A2電壓跟隨，UO輸出逐漸增大。由于D1的阻斷，使得A1的輸出不能反饋給負輸入端，經(jīng)過3個延時單元后反饋給A1。因此，當UI到達峰值時，UO并沒有到達峰值，使得A1負輸入端未跟隨上UI，信號進一步放大，導致過充，使得輸出峰值高于實際峰值，但D1的存在鉗制了信號的進一步放大，極大地抑制了過充。當UI從峰值下降時，某時刻A1負輸入端大于正輸入端，此時D1導通，D2截止，A1輸出電壓被鉗制，進入保持狀態(tài)，等待復位或者輸入電壓繼續(xù)增大。實踐證明，這種延遲反饋峰值保持電路對于快速變化的信號峰值提取是有效的，達到快速測量的目的。第3章電容位移傳感器的性能指標電容位移傳感器性能特性的研究，一般可從兩個方面進行，分別為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。在某些特殊應(yīng)用場合下，只需電容位移傳感器測量一些不變的或者變化相對緩慢的位置和位移，這時便可以確定傳感器的一套靜態(tài)特性指標；而在另外一些情況下，可能要求電容位移傳感器測量一些快速變化的位移，比如說在超精密快速定位的應(yīng)用場合，就要求電容位移傳感器能夠快速的給出位移測量信息，以達到閉環(huán)測量和控制的目的，這時就需要電容位移傳感器具有動態(tài)測試的功能。在電容位移傳感器的評價體系中，靜態(tài)指標主要包括測量范圍、穩(wěn)定性（數(shù)據(jù)漂移，有的亦稱溫漂）、靈敏度、分辨力、重復性和非線性誤差等；而動態(tài)特性的評價，現(xiàn)階段主要集中在動態(tài)頻率響應(yīng)這一項當中。接下來詳述這些性能指標的含義。在這些性能指標中，有些是相互矛盾的，互相制約的，因此在電容位移傳感器的設(shè)計當中，根據(jù)應(yīng)用需要選擇不同的方法，滿足測量需求即可。3.1測量范圍電容位移傳感器所能測量的最大被測量，即輸入量的數(shù)值一般稱為測量上限，所能測量的最小的輸入量稱為測量下限，而測量上限和測量下限之間的測量區(qū)間則稱為測量范圍。圖3.1電容示意圖如圖3.1所示，當被測電容由變化時，變化后被測電容極板距離為，此時電容值為(3.1)顯然與并無線性關(guān)系，從原理上不符合線性測量的要求。但是當時，有，電容變化和被測電容距離變化近似成線性關(guān)系，因此電容位移傳感器一般只能用于微小位移測量，并且測量范圍一般不會太大。電容位移傳感器的測量范圍一般意義上在數(shù)量級，這是受限于其測量原理和超精密測量的測量需求。但現(xiàn)階段，歐美國家一些知名的儀器廠商的電容位移傳感器產(chǎn)品的測量范圍已經(jīng)能達到mm數(shù)量級，國內(nèi)的技術(shù)水平還停留在數(shù)量級，與國外高水平電容位移傳感器技術(shù)水平差距較大。3.2穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指電容位移傳感器被測物不動，在其他參考量都不變化的情況下，傳感器的測量輸出在一定時間內(nèi)的示值穩(wěn)定性。穩(wěn)定性又稱為漂移或者溫漂，考察的是傳感器對環(huán)境變化及其內(nèi)部電路的工作穩(wěn)定性。傳感器產(chǎn)生漂移在一般意義上有兩個原因，一是傳感器自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)導致的漂移，包括電路結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定導致的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和系統(tǒng)安裝的不穩(wěn)定等，另一個原因是環(huán)境參數(shù)的變化，諸如溫度和濕度變化引起的漂移。穩(wěn)定性指標通常分為長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性。長期穩(wěn)定性一般是半個小時以上連續(xù)觀測傳感器輸出，甚至是數(shù)小時的連續(xù)觀測；而短期穩(wěn)定性一般只需觀測數(shù)分鐘或者十多分鐘就可以了。3.3靈敏度傳感器在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，稱為靈敏度，更嚴格意義上說稱為靜態(tài)靈敏度。通常意義上說，傳感器很靈敏，應(yīng)當既指其靈敏度高，同時也指其分辨力高。用公式來表示，可表示如下：(3.2)對于電容位移傳感器這樣的線性傳感器，靈敏度也可表示為：(3.3)本設(shè)計中，如圖3.1所示，當被測電容由d0變化Δd時，電容發(fā)生相對變化（3.4）當時，有，則靈敏度由下式表示：（3.5）根據(jù)式(3.5)，電容位移傳感器的靈敏度一定程度上與電容雙極板的初始間距成反比，這就決定了電容位移傳感器工作時其極距非常小，等效電容非常小，也極容易受雜散電容和分布電容的影響。3.4分辨力傳感器的輸入輸出關(guān)系不可能是絕對連續(xù)的。因此，有些時候，輸入量開始變化，但是輸出量并沒有發(fā)生變化，而是輸入量變化到某一程度后輸出才開始發(fā)生一小的階躍變化。這就是傳感器的分辨力和閾值的概念。通常分辨力有兩種表示方法。第一種表示方法是以輸入量來表示，稱為輸入分辨力，它是指在傳感器的全部工作范圍內(nèi)都能產(chǎn)生可觀測的輸出量變化的最小輸入量變化，可以用全量程的百分比來表示；另一種表示是用輸出量來表示，稱為輸出分辨力，它是指在傳感器的全部工作范圍內(nèi)，在輸入量緩慢而連續(xù)變化時所觀測到的輸出量的最大階躍變化，可以用滿量程輸出的百分比來表示。評價電容位移傳感器分辨力應(yīng)用最多的是輸入分辨力，通俗易懂，比較直觀。傳感器分辨力是一個可反映傳感器能否進行精密測量的重要的性能指標。通常情況下，傳感器系統(tǒng)靈敏度越高，分辨力也越高，二者是正相關(guān)的。3.5線性度非線性誤差是衡量線性傳感器輸入輸出線性特性好壞的一個重要靜態(tài)指標。非線性誤差的表示隨著參考直線的性質(zhì)和引用方法不同有多種，但在電容位移傳感器中，通用的非線性誤差是指絕對非線性誤差指標。絕對線性度，也可稱為理論線性度，是指傳感器的實際平均輸出特性曲線對在其量程內(nèi)事先規(guī)定好的理論直線的最大偏差，常常用傳感器滿量程的輸出的百分比來表示。（3.6）在電容位移傳感器中，由于電路參數(shù)的某些不確定性，導致理論輸出直線的獲得非常困難，在實際的傳感器實驗和標定中，通常利用大量的實驗數(shù)據(jù)采用最小二乘法等數(shù)學方法擬合出一條直線，代替理論直線，來計算等效的非線性誤差，進而完成對傳感器全流程的實驗和標定。電容位移傳感器的靈敏度和非線性誤差是一對矛盾型指標。根據(jù)圖3.1，傳感器被測電容相對變化量由式(3.4)表示，取其最大的平方項，得到理論非線性誤差為：（3.7）因此，要降低非線性誤差，則必須增大電容位移傳感器的工作距離，而根據(jù)式(3.5)，要增大傳感器系統(tǒng)的靈敏度，則必須減小傳感器的工作距離。要設(shè)計達到高靈敏度和低非線性誤差的電容位移傳感器是非常困難的，需要根據(jù)使用目的權(quán)衡選擇。3.6重復性重復性誤差，是指系統(tǒng)在相同的工作條件下，在短時間內(nèi)，傳感器輸入量做同一方向變化，在反復變化過程中，連續(xù)多次的同一方向的輸出測量值之間的偏差。由于電容位移傳感器一般具有遲滯性，即輸入輸出不同方向變化的輸入輸出曲線不重合，如圖3.2所示。因此評定的是從同一方向變化的測量偏差。圖3.2重復性實驗示意圖重復性誤差是一種隨機誤差，其嚴格的評定要求系統(tǒng)輸入量從同一方向作滿量程變化，繪制其輸入輸出特性曲線，取同一方向上曲線偏差最大的值作為重復性誤差，因此，重復性誤差往往和非線性誤差一起評定。在實際應(yīng)用中，很多時候，不對全量程進行評定，只是對單點進行評定。在實驗中，選取具有代表性的位置點，評定其重復性誤差，即對某個位移測試點進行多次同方向反復測量，得到輸出值，通過評定其標準差，得到其重復性誤差。3.7頻率響應(yīng)電容位移傳感器的頻率響應(yīng)特性是評價在被測量，即被測極板極距發(fā)生隨時間連續(xù)的變化的情況下，傳感器系統(tǒng)的測量輸出能否良好地跟隨輸入量的變化的一個重要的動態(tài)特性指標。在研究傳感器的動態(tài)特性時，由于數(shù)學上的困難，通常都忽略傳感器的非線性和隨機變化量等復雜的因素，只把傳感器系統(tǒng)看成是線性的，定常的系統(tǒng)。對于固定不受外界變化控制的輸入輸出關(guān)系，數(shù)學上常常利用微分方程和傳遞函數(shù)來研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。而在電容位移傳感器中，由于系統(tǒng)極容易受外界條件變化的干擾，很難寫出完整的包含環(huán)境因素的輸入輸出傳遞函數(shù)。因此，在電容位移傳感器的動態(tài)特性試驗中，通常是對輸入量，即電容極板的運動加以控制，控制其以一定頻率進行振動，比如用壓電陶瓷控制一個運動極板進行一定頻率的來回振動，觀測傳感器系統(tǒng)輸出的變化頻率，能否跟上輸入的變化頻率。通過這個方法來對系統(tǒng)進行評價。第4章傳感器硬件電路設(shè)計4.1引言影響電容位移傳感器測量性能的最主要的問題是其硬件電路的設(shè)計。本設(shè)計中，調(diào)幅式電容位移傳感器系統(tǒng)的硬件電路主要有信號轉(zhuǎn)換模塊和調(diào)幅信號解調(diào)模塊。信號轉(zhuǎn)換模塊包含用來生成幅值頻率高度穩(wěn)定的數(shù)字頻率合成(DDS)和進行信號轉(zhuǎn)換和調(diào)制的前置電路，以及完成信號去噪和放大處理的信號調(diào)理電路；調(diào)幅信號解調(diào)模塊包含高精度峰值保持電路部分及其外圍生成復位和控制信號的電路部分。4.2信號轉(zhuǎn)換模塊信號轉(zhuǎn)換模塊是傳感器系統(tǒng)完成信號的調(diào)制與轉(zhuǎn)換、信號的調(diào)理的關(guān)鍵部分之一，主要包含DDS電路、前置電路和信號調(diào)理電路。4.2.1DDS系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計對傳感器被測電容信號的調(diào)制需要一個幅度和頻率高度穩(wěn)定的載波信號。信號調(diào)制與轉(zhuǎn)換電路如圖2.3，調(diào)制電路輸出如式(2.2)，根據(jù)式(2.2)，電容信號Cx被調(diào)制在載波信號幅值中：(4.1)為使傳感器位移信號不受外界干擾，如式(4.1)所示，系統(tǒng)要求參考電容Cr、Cf穩(wěn)定，要求載波信號初始幅值Us高度穩(wěn)定，傳統(tǒng)的RC文氏橋振蕩電路很難使幅值穩(wěn)定在一個較高的水平，因此本設(shè)計采用數(shù)字頻率合成(DDS)方法產(chǎn)生一個載波信號。圖4.1DDS原理框圖DDS原理框圖如圖4.1所示，主要包含五個部分，分別為系統(tǒng)時鐘、存儲波形數(shù)據(jù)的ROM數(shù)據(jù)表、相位累加器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和理想低通濾波(LPF)。DDS的合成過程為：根據(jù)Nyguist時域采樣定理，針對一個頻帶在fc/2內(nèi)的信號波形以采樣頻率fc進行采樣，得到該信號的波形數(shù)據(jù)，通過DAC在系統(tǒng)時鐘下以一定速率合成階梯狀的波形，再由一個理想的低通濾波器進行平滑濾波就能得到所需要的信號。DDS即還原此過程，通過ROM存儲事先生成好的所需信號的數(shù)據(jù)波形，通過相位累加器和DA轉(zhuǎn)換，生成一個階梯波形，然后通過低通濾波器進行平滑濾波即可得到所需波形。DDS系統(tǒng)中各部分主要功能如下：系統(tǒng)時鐘是整個DDS系統(tǒng)工作時鐘，是統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個功能部件的時鐘節(jié)拍；ROM按地址順序存儲需要產(chǎn)生的完整周期或者部分周期波形的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)時鐘下，協(xié)同相位累加器一個一個數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC，完成數(shù)據(jù)輸出；相位累加器由一個N位加法器和一個N位寄存器組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示：圖4.2相位累加器結(jié)構(gòu)圖圖中，I為頻率控制字，也即相位增量或者相位步進量，在一個時鐘周期1/fc內(nèi)，加法器將頻率控制字I和寄存器內(nèi)保存的相位數(shù)據(jù)相加一次，送入寄存器內(nèi)保存，當相加結(jié)果超出寄存器表示范圍2N時，寄存器溢出并復位，因此循環(huán)輸出一個完整周期的各個相位值。頻率分辨力f0由寄存器的位數(shù)決定，如式(4.2)所示：(4.2)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)完成將存儲在ROM里的數(shù)據(jù)按采樣時鐘頻率fc輸出的幅值轉(zhuǎn)換為模擬量，其轉(zhuǎn)換后輸出波形為階梯狀波形；低通濾波器完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的階梯波進行平滑濾波，濾除階梯狀波形中的高頻成分，得到所需的平滑波形。4.2.2基于變壓器電橋的幅值調(diào)制電路設(shè)計幅度調(diào)制電路是整個調(diào)幅式電容位移傳感器的關(guān)鍵電路之一，其完成了從電容位移信號到調(diào)幅信號的電壓信號的轉(zhuǎn)換。調(diào)制電路的準確性，對雜散電容和分布電容的抑制，以及其對電容變化的分辨力等都決定了整個電容傳感器的性能。本設(shè)計中的前置電路是基于變壓器電橋的幅值調(diào)制電路，其原理框圖如圖4.3所示：圖4.3基于變壓器的AC橋路原理框圖根據(jù)圖4.3，分析電路，有：(4.3)根據(jù)電路中運算放大器工作在深度負反饋狀態(tài)的“虛短”、“虛斷”特性，所以VΣ虛地，則式(4.3)化簡得：(4.4)IΣ流經(jīng)運算放大電路后，得到調(diào)制輸出如式(4.5)所示：(4.5)化簡得到，前置電路的幅度調(diào)制輸出為：(4.6)根據(jù)式(4.6)，可以根據(jù)電路設(shè)計，當時，忽略相位因素，即當電路參數(shù)滿足下式時：（4.7）前置電路的輸出簡化成式(4.8)所示關(guān)系式：（4.8）其中，Vs為DDS信號輸出，根據(jù)本設(shè)計，DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號為：（4.9）而信號經(jīng)過變壓器后，則有：（4.10）根據(jù)以上分析，可以看出，前置電路要求載波信號源穩(wěn)定外，還要求變壓器的對稱性要好，使得副線圈輸出的兩臂電壓幅值相等，相位相反。4.2.3信號調(diào)理電路設(shè)計載波信號經(jīng)過幅度調(diào)制電路后，完成了電容位移信號的轉(zhuǎn)換和分辨力的初步放大，信號調(diào)理電路的功能是對幅度調(diào)制信號進行去噪和交流放大，使調(diào)幅信號達到一個低噪聲，對電容信號高分辨力的效果。本設(shè)計中的信號調(diào)理電路由一個單位增益帶通濾波器和交流放大電路組成。單位增益帶通濾波器由一個截止頻率為15kHz的低通濾波器和一個截止頻率為17kHz的高通濾波器級聯(lián)組成。本設(shè)計中對通頻帶增益要求為實現(xiàn)最大平坦的單位增益特性，因此根據(jù)設(shè)計需要選用巴特沃斯型濾波器。文獻中詳細的闡述了巴特沃斯型單位增益濾波器的設(shè)計過程，本設(shè)計基于此進行參數(shù)設(shè)計。圖4.4所示即應(yīng)用非常廣泛的經(jīng)典的正反饋有源低通濾波器原型圖。圖4.4正反饋原型2階低通濾波器在圖4.4中，當，，，截止頻率為，計算可得濾波器的理論增益為1，即實現(xiàn)其單位增益，Q是該電路的品質(zhì)因數(shù)。同時，把電容和電阻互換位置便得到正反饋原型2階高通濾波器。文獻中給出了這種單位增益濾波器的截止頻率為1KHz的不同階數(shù)對應(yīng)的品質(zhì)，如表4.1所示。該表同樣可以換算適用在其他截止頻率的濾波器。表4.1巴特沃斯LPF歸一化表fn(KHz)品質(zhì)因數(shù)Qn2階1.00.7071073階1.00.51.01.0000004階1.00.5411961.01.3065634.3傳感器信號解調(diào)模塊4.3.1峰值解調(diào)模塊的結(jié)構(gòu)高精度峰值保持電路是系統(tǒng)進行信號解調(diào)的核心電路，其性能直接影響整個傳感器系統(tǒng)的性能指標。本設(shè)計根據(jù)現(xiàn)有的幅值解調(diào)方法的技術(shù)特點，結(jié)合本設(shè)計的設(shè)計需要以及對系統(tǒng)信號延遲的問題選擇對調(diào)幅信號直接進行峰值模擬解調(diào)，對傳統(tǒng)的峰值保持電路進行改進和完善，提出利用延遲反饋式峰值保持電路對本設(shè)計調(diào)幅信號進行解調(diào)。幅值解調(diào)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4.5所示：峰值保持精密整流調(diào)幅信號峰值保持精密整流調(diào)幅信號復位移相電路計時觸發(fā)器過零比較移相電路計時觸發(fā)器過零比較圖4.4幅值解調(diào)模塊結(jié)構(gòu)框圖4.3.2系統(tǒng)相位延遲的產(chǎn)生原理根據(jù)本設(shè)計調(diào)幅式電容位移傳感器的結(jié)構(gòu)，信號調(diào)理電路的輸出，也即待解調(diào)的調(diào)幅信號，為：（4.11）其中，k是信號調(diào)理電路的綜合放大倍數(shù)，本設(shè)計k為3，ΔC是被測電容與參考電容容值之差，Cf是前置電路的分辨力放大電容，Us是DDS產(chǎn)生的載波信號的幅值。從式(4.11)中，必須注意到，調(diào)幅信號相對于載波信號，存在著一個相位上的延遲β，載波信號、調(diào)幅信號和檢波信號的示意圖如圖4.5所示：圖4.5傳感器電路信號對比圖對比圖中，A為DDS產(chǎn)生的載波信號，B為調(diào)幅信號，C為調(diào)幅信號經(jīng)過精密全波整流后的信號和峰值保持信號。4.3.3峰值保持電路外圍電路設(shè)計峰值保持電路外圍電路主要包括精密整流電路和采樣觸發(fā)信號和復位信號的生成電路兩部分。由于本設(shè)計采用的峰值保持電路是正峰值保持電路，結(jié)合保持電路一般來說保持時間不宜過長的特點，對調(diào)幅信號進行精密全波整流處理，使信號轉(zhuǎn)換為正信號，精密整流電路也是一種絕對值電路，完成對信號的絕對值運算。本設(shè)計采用的是經(jīng)典的精密全波整流電路，如圖4.6所示：圖4.6精密全波整流電路電路中，===10K，==20K，==1K，采用精密電阻進行電路匹配，使電路增益為1，達到精確的絕對值運算處理的目的。精密全波整流電路將16KHz的調(diào)幅信號進行絕對值處理后，形成32KHz的正周期信號，一方面達到正峰值保持電路的正信號輸入需求，另一方面經(jīng)過絕對值處理后，在原有16KHz一個周期內(nèi)形成了雙峰值，增加了一個峰值采樣的機會，這使得峰值保持電路信號解調(diào)的準確性大大增強。生成觸發(fā)采樣信號的過零比較電路如圖4.7所示：圖4.7過零比較電路過零比較電路采用LM311搭建，利用、和C組成的移相電路對調(diào)幅信號進行移相90o后，再進行過零比較，生成一個16KHz的方波，其特點是方波的上升沿和下降沿均對應(yīng)調(diào)幅信號的信號峰值位置。因此，本設(shè)計利用該方波信號觸發(fā)峰值保持電路輸出后的數(shù)據(jù)采集?？偨Y(jié)本設(shè)計電容位移傳感器信號針對調(diào)制過程中雜散電容和分布電容對系統(tǒng)的影響，設(shè)計并制作了基于變壓器電橋的AC橋路信號調(diào)制電路；針對信號轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理過程中，調(diào)幅信號不可避免的相位延遲給系統(tǒng)信號解調(diào)帶來的峰值檢波不準確的問題，提出延遲反饋式高精度峰值保持電路，完成信號的解調(diào)。本設(shè)計所提出的信號調(diào)制方法和峰值解調(diào)方法是有效的，設(shè)計所研制的調(diào)式電容位移傳感器具備高精度測量的性能，完成了設(shè)計指標。同時，也讓我對電容位移傳感器有了更深入的了解，特別是調(diào)幅式電容位移傳感器，每一種傳感器在使用的時候都會存在缺點，對于對它進行測量時產(chǎn)生影響的參數(shù)和設(shè)計，可以進行進一步的研究和設(shè)計讓它的測量精度更高，完成所需要的性能指標。參考文獻[1]齊永岳，趙美蓉，林玉池.納米測量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J].儀器儀表學報.2003:8-12[2]陳泓波.調(diào)頻式電容位移傳感器鑒頻技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學碩士論文.2011:1-7[3]葉湘濱，劉正春.一種可同時測量位移和角度的電容式傳感器設(shè)計[J].傳感器技術(shù).2004，2(3):34-37[4]師樹恒，王斌，朱健強.高精度電容式位移傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].儀表技術(shù)與傳感器.2007.7[5]SMHuang,ALStott,RGGreen,etal..Electronictransducersforindustrialmeasurementoflowvaluecapacitances[J].Phys.E:Sci.Instrum.1988(21):242–250.[6]AndrewLeslieHugull.Displacementtransducersbasedonreactivesensorsintransformerratiobridgecircuits[J].INSTRUMENTSCIENCEANDTECHNOLOGY.1982(15):597–606.[7]李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊[M].國防工業(yè)出版社.2002:56-93[8]強錫富.傳感器第二版[M].機械工業(yè)出版社，2000:79-114[9]于士誠.調(diào)頻式電容位移傳感器中若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文.2010:10-11.[10]梁志國.調(diào)幅信號的一種數(shù)字化精確解調(diào)方法[J].華北工學院學報.2003(24):24-30.[11]孫素平.基于DDS技術(shù)信號發(fā)生器的研究與設(shè)計[D].哈爾濱工業(yè)大學碩士論文.2010:7-9.[12]遠坂俊昭(日).測量電子電路設(shè)計——濾波器篇[M].科學出版社.2006:12-19.基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機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基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究HYPERLINK"/detail.htm?369