（控制科学与工程专业论文）基于微变电容的角度振动传感器的研究与实现.pdf

摘要 随着m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a i l i c a ls y s t e m ，即微电子机械系统) 技术的发展， 电容式m e m s 传感器具有结构简单、分辨率高等优点，它广泛应用于位移、振动、角 度、加速度等物理量的测量，而且还逐步扩大应用于压力、差压、液面、成分含量的测 量。在振动、角度等测量领域，采用差动式结构的m e m s 电容传感器可提高灵敏度减 小误差，然而受结构微型化的影响，这种传感器的电容量一般只有几个p f ，而由外界 引起的电容变化量就更小。因此，需要设计一种合适的方法检测微变电容的变化，并与 角度振动量对应起来。 本文从微变电容的物理学原理出发，阐述了微变电容的工作原理和微弱信号检测理 论，并设计了相应的硬件软件实现。即采用基于单片机的周期性直流充放电电路采集数 据，利用一定的数字滤波算法分离数据得出角度信号和振动信号，给出了完整的基于微 变电容的角度振动传感器的设计方案。 首先，研究了微变电容的工作原理，并分析了系统噪声产生的原因，在此基础上对 目前较为常用的微小电容检测方法和信号处理算法进行了研究对比，得出适合本设计的 差分电容检测电路和信号处理算法，经过对比验证，本设计可行有效并且便于实现。 其次，从硬件和软件上实现了本检测理论。以r c 串联回路直流充放电理论为基础， 单片机系统为主体，对微变电容进行周期性充放电，实现振动量和角度偏移量的检测。 经过适当的滤波算法对原始信号进行处理，可以有效地减小噪声的干扰。同时快速而准 确地分离出基波分量和高次谐波分量，进而得出较好的角度曲线和振动曲线。然后利用 s j a l 0 0 0 接口将角度振动数据和主体系统连接起来，完整实现了传感器的功能。 最后，在不同角度振动情况下对传感器进行了性能测试，分别读取经过每一步信号 处理后的波形图，直观地看出去噪处理模块、角度信号生成模块和振动信号生成模块的 处理效果。 本文详细介绍了微变电容式m e m s 角度振动传感器的设计方案、传感器的硬件电路 设计和数字信号处理的实现等。所做样品经性能测试验证，本方案可行有效，角度检测 和振动检测可同时进行且互不干扰。 关键词：微变电容；直流充放电：信号分离；p i c l 6 f 6 2 8 a 单片机； a b s t r a c t a l o n g 晰t ht h ed e v e l 叩m e n to fm e m s t e c h n o l o g y ，t h es t m c n 鹏o fm e m sc a p a c i t i v e s e n s o rl sm u c h s l m p l e ra n dt h ef e s o l u t i o ni sh i g h e r i ti sw i d e l yu s e d 洫t h em e a s u r e m e n t so f d l s p l a c e m e n t ，v i b r a t i o i l ，a n g l e ，a c c e l e r a t i o na n do 也e r s ，a 1 1 dt 1 1 ea p p l i c a t i o ni s 龋a d u a l l y e x p a n do fp r e s s u r e ，d i f 免r e m i a lp r e s s u r e ，l i q u i dl e v e ia i l di n 鲈e d i e n t s i i lt h ea u l g l ev i b r a t i o n m e a s u r e m e n t ，u s i n gt h ed i f r e r e m i a ls 廿- u c t u r eo ft h em e m s c a p a c i t a l l c es e n s o rc a l lb er e d u c e d e 。t o fa n dl n c r e a s e d s e n s i t i v i 够 b u tb yt h ei n n u e n c eo fm i n i a t u r i z a t i o n s t n l c t u r e t h e c a p a c l t a i l c eo fs e n s o r i so i l l ys e v e r a lp f ，a n dt h ea m o u n to fc a p a c i t a n c ec h a n g e sw o u l db e e v e ns m a l l e r n e r e f o r e as u 池b l ed e s i g nt od e t e c tt h em i c r ov 撕a b l ec a p a c i t a n c ei sn e e d e d ， a n dt h ea i l g l ev i b r a t i o ni i a t as h o u l db em e a s u r e d s t a r t e d 疔o mt h ep h y s i c sp r i n c i p l e so fm i c r 0w l r i a b l ec a p a c i t a n c e ，t h ed e t e c t i o nm e o r y o f w e a ks l 印a ia n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm i c r 0v a r i a b l ec a p a c i t a l l c ea r ee l a b o r a t e di n “s a n l c l e ，a n dt h el n l p l e m e n t a t i o no f h a r d w 习鹏柚ds o f h v a r ei sg i v e n 1 1 l ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t i sb a s e do np e r i o d i cd cc h a t g ea n d d i s c h a r g eb ym c u ，a n dt h e nt h es u i t a b l ed 讶t a ls i g n a l m e t n o dl sp r o c e s s e dt 0o b t a i nt h e a n g l es i g i l a la i l dv i b r a t i o ns i 印a 1 n l ee n t i r ed e s i g no fa n g l e a n dv l b r a t l o ns e n s o r b a s e do nm i c r ov 撕a b l e c a p a c i t ：a i l c ei s 西v e ni nt h ea n i c l e n r s t ，t h eo p e r a t i n g 两n c i p l eo fm i c r ov 撕a b l ec a p a c i t a n c ea n dt h ec a u s e so f s v s t e mn o i s e a r e 柚a l y z e d o nt h i sb a s i s ，t h ec o n u n o n l yu s e dd e t e c t i o nm e t h o do fm i c r o - c a p a c i t i v ea n d s l g n a lp r o c e s s i n ga 1 9 0 r i t i l mi sa n a l y z e da l l dc o m p a l r e d ，a n dt h e nt h e d e s i g no ft h ed i f f e r e n t i a l c a p a c l 伽l c ed e t e c t i o nc i r c l i i ta 1 1 ds i g n a l p r o c e s s i n ga j g o r i t h m si so b t a i n e d a r e rc o n t r a s t v e n f i c a t i o n ，t i l i sd e s i g l li se f f e c t i v ea n df e a s i b l et of a c i l i t a t em ea c h i e v 唧e n t s e c o n d ，t h ed e t e c t i o nt 1 1 e o 巧i si m p l e m e n t e df 硒mh a r d 袱啪t 0s o 矗w a r e t h et e c l u l i q u ei s b a s e do nm ed cc h a r g e 孤d d i s c h a r g et h e o r yo fr cs e r i e sc i r c u i t ，a n dt h ev i b 础o na n da n g l e o t i s e tc a i lb ed e t e c t e d b ym c us y s t e m a 舭rt h e 嘶g i n a ls i g n a li s p r o c e s s e db yt h e a p p r o p r i a t ef i l t e r ，t h en o i s ed i s t u r b a n c ec o u l db er e d u c e de f l 丘c i e n t l y ，a n dt h e6 m d 锄e n t a l c o m p o n e n t 锄dt h el l i g hh 锄o n i cc o m p o n e n tw o u l db es e p a r a t e dq u i c k j ya n da c c u r a t e l y ， t h e nt h ec u r 娉醴t h ev i b r a t i o na n da n g l eo f f s e tc a i lb eo b t a i n e d s j a 10 0 0i su s e dt oc o n n e c t t h ea u l g l ev i b r a t i o nd a t ao ft h es e n s o ra j l dt h es y s t e m ，a n di n t e 鲥够如n c t i o no f t 1 1 es e n s o ri s a c h i e v e d a ti a s t ，t h ep e 怕咖a n c eo ft h es e n s o ri s t e s t e da tv a r i o u sk i n d so fa n g i ev i b r a t i o n s i t u a t l o n a n e re a c hs t e po fs i g n a l p r o c e s s i n g ，t h ew a v e f o 册i sr e a d ，a n dt h ep o s t p r o c e s s e h e c t so ft h ed e n o i s i n gp r 。c e s s i n gm o d u l e ，t h e a n g l es i g n a lg e n e r a t i o nm o d u l ea n dt h e i n 基于微变l 乜容的角度振动传感器的研究。j 实现 v i b r a t i o ns i 朗a lg e n e r a t i o nm o d u l ei si r l m i t i v e l yo b t a i n e d i nt h i s 硼i c l e ，t h ed e s i g l lo ft h em i c r o v 撕a b l em e m s c 印a c i t i v ea i l g l ev i b r a t i o ns e n s o r h a sb e e nd e t a i l e di n 仃o d u c e d ，锄dt h eh a r d 撇鹏c i r c u “d e s i 弘o ft t l es e n s o ra n dt h er e a l i z a t i o n o fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi si l l u s t r a t e d e x p e r i m e n tr e s u l t so fs 锄p l es h o w st h a ta n 9 1 e d e t e c t i o na n dv i b r a t i o nd e t e c t i o nc a nb ec 抓e do u ta n dn o n i m e 疵r i n ga tt l l es 锄et i m e k e yw o r d ：m i c r ov i b r a t i o nc a p a c i t a l l c e ；d cc h a r g ea n dd i s c h a r g e ；s i g i l a ls e p 踟t i o n ； p i c1 6 f 6 2 8 am c u 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 翟俐明 日期：力夕年5 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密固。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 酬叼 尊犰 日期：厶罔7 年s 月矽日 日期：z 一尸年箩月弓f 日 硕| ：学位论文 第1 章绪论 1 1 电容式传感器概述 电容式传感器以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件将被测物理量 的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率等信号输出的 测量装置。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行测量。 电容式传感器具有零点漂移小、结构简单、功耗小、高分辨力、动态响应快、灵敏 度高、可非接触测量等特点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它 的独特优点。此种传感器的缺点是易受干扰，存在着非线性，且受寄生电容的影响，但 是随着集成电路技术和计算机技术的发展，这些缺点可以采取措施予以弥补，促使它扬 长避短，成为一种很有发展前途的传感器。因此，电容式传感器在位移、压力、振动、 液位、介质等物理量的测量中得到越来越广泛的应用1 】【2 1 。 1 1 1 基本工作原理 电容式传感器的基本工作原理可以用图1 1 所示的平板电容器来说明【3 】【4 】。平板电 容器是由两个金属极性板、中间夹一层电介质构成。当忽略边缘效应时，其电容器的电 容量为 c ：望遂：壁 ( 1 1 ) dd 式中，彳为电容极板面积；d 为极板间的距离；氏为真空介电常数；占。为极板间介质相 对介电常数；s 为极板间介质介电常数，且s = s ，s 。 图1 1 平板电容器 从式( 1 1 ) 可以看出，式中的s 、彳、d 三个参数中任何一个发生变化，均可引起 电容c 的变化。在实际应用中，常保持g ，彳、d 三个参数中两个不变，仅改变其中的 一个参数使电容发生变化，据此电容式传感器可以分为三种类型：变极距型、变面积型、 变介电常数型。 皋j ：微变i 乜容的角度振动f 感器的研究j 实现 1 1 2 电容式传感器的结构分类 1 变极距型电容传感器 变极距型电容式传感器结构示意图如图1 2 所示，电容器由可动极板和固定极板组 成。 1 定极板2 动极板 图1 2 变极距型电容式传感器结构示意图 当动极板受被测物体作用产生位移时，改变了两极板间的距离d ，从而使电容器的 电容量发生变化。设初始极距为以，当动极板有位移，使极板间距减小x 后，其电容量 变大。设c o 为初试电容值，c 0 = d 舐，则有 c x2 差5 c o ( 丧j “彩 由式( 1 2 ) 可知，电容量c ，与位移x 不是线性关系，其灵敏度s 不为常数 s ：坠：三( 1 3 ) 出 ( d o x ) 由式( 1 3 ) 可知，当玩较小时，对于同样的位移x 引起电容量变化较大，即灵敏 度较高；而当玩较大时，同样位移引起的电容量变化较小，灵敏度较低。所以在实际使 用时，总是使初始极距尽量小些，以提高灵敏度。但这也带来了变极距式电容器行程较 小的缺点，而两极板| 、日j 距很小，电容器容易被击穿。一般变极距式电容传感器的起始电 容设置在几十皮法至数百皮法，极距矗设置在2 0 2 0 0 z 釉的范围内较为妥当。最大位移 小于两极板间距的1 1 0 1 4 ，电容量变化量可高达2 3 倍。为了提高传感器的灵敏度， 减小非线性，常常把传感器做成差动形式。 图1 3 差动变极距型电容式传感器示意图 硕 j 学位论文 图1 3 为差动变极距型电容传感器的示意图。中间为动极板，上下两块为定极板。 当动极板向上移动血后，c 的极距变为哦一缸，而c 2 的极距变为成+ 缸，电容c l 和c ： 形成差动变化。经过信号测量转换电路后，灵敏度提高近一倍，线性得到大大改善。 2 变面积型电容传感器 2 ( a ) 平板直线位移式结构( b ) 同心圆筒式结构 ( c ) 角位移式结构 l 动摄扳l 2 定极板i3 _ 夕 圆筒l 内圆筒5 啼轨 图1 4 变面积型电容式传感器结构原理图 图1 4 为改变面积型电容传感器的结构原理图。图1 4 ( a ) 是平板直线位移式变面积 传感器。当定极板不动，动极板做直线运动时，改变了两极板的相对面积，引起电容器 电容量的变化。图1 4 ( a ) 中，假设两极板原始长度为口。，极板宽度为6 ，极距为九，当 动极板随被测物体有一位移x 后，两极板的遮盖面积减小，此时电容器的电容量c 。为 e ：塑堡掣：c o ( 卜三) ( 1 4 ) 口o“0 式中，c 0 = 曲口。或，此传感器的灵敏度为 s ：坠：一生( 1 5 ) 出 d o 由上式可知，增大6 ，减小乩，可以提高灵敏度。但磊太小容易引起电容击穿而短路。 图1 4 ( b ) 是同心圆筒形变面积传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内做上、下直 线运动。设内、外圆筒的半径分别为尺和，两者原来的遮盖长度为，当内圆筒向下 位移x 时，这两个同心圆筒的重叠面积减小，所构成的电容器的电容量也随之减小。 q = 焉舁- c o c 一旁 6 ， 4 l n ( 足彦l 一 玩7 传感器的灵敏度为 s ：坠：一二竺 ( 1 7 ) 出 l n ( 尺，) 图1 4 ( c ) 是一个角位移式结构。设两极板初始重叠角度= 万，初始电容 c o = 利。以，极板2 的轴由被测物体带动而旋转一个角位移曰度时，两极板的重叠面积 摹于微变l 【l 容的角度振动传感器的研究j 实现 么减小，因而电容量也随之减小。 g ：萼( 1 一旦) ( 1 8 ) “刀 传感器的灵敏度为 s ：坠：一堕( 1 9 ) d 07 证 式中，f 为空气的相对介电常数。 由上面的分析可知，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度为常数。在 实际使用中，为提高传感器的灵敏度，可增加动极板和定极板的对数，使多片同轴动极 板在等间隔排列的定极板间隙中转动，由于动极板与轴连接，所以一般动极板接地，但 必须制作一个接地的金属屏蔽盒，将定极板屏蔽起来。这类传感器多用于检测直线位移、 角位移、尺寸等非电量。 3 变介电常数型传感器 由于各种介质的相对介电常数不同，如果在电容器两极板间插入不同介质，电容器 的电容量就会不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数型电容传感器，常 被用来测量液体的液位和材料的厚度。 冀 鋈 乓 萋 篓 逾 冬l - 乙_ 。：二= 1 。 _ 。- - - 一- - _ - - ( a ) 同轴内外金属蓄式 ( b ) 金属管外套聚四氟乙烯套暂式 图1 5 电容液位计原理图 图1 5 为电容液位计原理图。当被测液体( 绝缘体) 的液面在两个同心圆金属管状 电极间上下变化时，引起两极间不同介电常数介质( 上面为空气，下面为液体) 的高度 变化，从而导致总电容量变化。总电容量由上下介质形成的两个电容相并联得到，总电 容量与液面高度的关系为 c ：c l + c ，：型生丝堕+ 至堕 ( 1 1 0 ) 2 l n ( r ，)i n ( r 厂) 式中，c 1 为空气部分的电容值，c 为液体部分电容值，扛为电容器极板高度；厂为内电 极的外半径；只为外电极的内半径；日为液面高度；氏为真空介电常数( 8 8 5 1 0 一2 州m ) ； 硕 二学位论文 蜀为液体的介电常数。 从式( 1 1 0 ) 看出，电容量c 与液面高度日成线性关系。当液罐外壁是导电金属时， 可以将其接地，并作为液位计的外电极，如图1 5 ( b ) 所示。当被测介质是导电的液体时， 则内电极应采用金属管外套聚四氟乙烯套管式电极，而且外电极不是液罐外壁，而是该 导电介质本身，这时内外电极的极距只是聚四氟乙烯套管的壁厚。 1 1 3 电容式传感器的实际应用 电容式传感器应用十分广泛，它不仅用于位移、振动、角度、加速度、荷重等机械 量的精密测量，还广泛用于压力、压差、液位、料位、成分含量等热工量的检测。下面 举例说明电容式传感器在实际检测中的应用。 1 电容式压力传感器 电容式压力传感器是将压力转换成电容变化的传感器，改变电容量的方法有改变极 板距离和改变极板面积这两种，实际中常用改变极板距离来改变电容量。电容式压力传 感器在结构上有单端式和差动式两种形式，因为差动式灵敏度高，非线性误差小，所以 常采用差动形式。 l 弹性平膜片( 动极) l2 一凹玻璃圆片i3 金属镀层( 定极) j 哇低压侧进气孔i 5 输出靖子i6 空腔i7 过滤嚣i8 壳体l 卜高匿侧进气孔 图1 6 差动式电容差压传感器 差动式电容差压传感器广泛用于液体、气体的压力、液体位置及密度等的检测，其 结构如图1 6 所示，这种传感器是一个由金属膜片与镀金凹型玻璃圆盘组成的、采用差 动电容原理工作的位移传感器。当被测压力p l 及恐通过过滤器进入空腔时，弹性膜片 两侧压力差使膜片凸向压力小的一侧，这一位移变化改变了两个镀金玻璃圆片与弹性膜 片之间的电容量，电容的变化可由电路加以放大后取出。这种传感器的分辨力很高，采 用适当的测量电路，可以测量较小的压力差，响应速度可达数十毫秒。若测量含有杂质 的液体，还须在两个进气孔前设置波纹隔离膜片，并在两侧空腔中充满导压硅油，使得 基于微变i 也容的角度振动传感器的研究i 实现 弹性平膜片感受到的压力之差仍等于p 1 n 。 2 电容式加速度传感器 口i 4 l 绝缘体l2 固定电掇i3 痰量块it 弹簧片 图1 7 电容式加速度传感器 图1 7 所示为一种空气阻尼式电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有 两个固定电极( 与壳体绝缘) ，两极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两 个端面经过磨平抛光后作为可动极板( 与壳体电连接) 。当传感器用于测量垂直方向的微 小振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极板相对质量块产生位移，此时，上下两 个固定电极与质量块端面之间的电容量产生变化，使传感器有一个差动的电容变化量输 出，其值与被测加速度的大小成正比。该传感器频率响应快，量程范围大，在结构上大 多采用空气或其他气体作阻尼物质。此外，该传感器还可做得很小，与测量电路一起封 装在一个厚膜集成电路的壳体中。 3 电容测厚仪 电容测厚仪主要用于测量金属带材在轧制过程中的厚度，其工作原理如图1 8 所示。 l 金属带材i2 一电容极扳l3 传动轮l 辱裁辊 图1 8 电容测厚仪示意图 在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样极 板与带材就形成两个电容器。把两块极板用导线连接起来作为电容器的一个极板，而会 属带材就是电容的另一个极板，其总电容e = c 。+ c ：= 2 c 。如果带材厚度发生变化， 硕l ：学位论文 将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的这一变化检测出来，再经过放大，即可由显 示仪表显示出带材厚度的变化。 4 电容式油量表 图1 9 为电容式传感器测量油箱液位油量的示意图。 1 油箱；2 圆柱形电容器；3 伺服电机；4 减速器 图1 9 电容式油量表示意图 当油箱中无油时，电容传感器的电容量为c 如，调节匹配电容使c o = c 。，并使电 位器i 冲的滑动臂位于。点，即电阻值为零。此时，电桥满足q 。c o = 尺。尺，的平衡条 件，电桥输出为零。伺服电动机不转动，油量表指针偏转角为零。 当油箱中注满油时，液位上升至蠹处，c 。= c 。+ c ，而c 与办成正比，此时电 桥失去平衡，电桥的输出电压放大后驱动伺服电动机，经减速后带动指针偏转，同时带 动r p 的滑动臂移动使i 冲阻值增大。当r p 阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状 态，u ，= 0 ，于是伺服电动机停转，指针停留在转角秒处。 由于指针及可变电阻的滑动臂同时被伺服电动机所带动，因此，r p 的阻值与转角秒 存在着确定的对应关系，即秒正比于r p 的阻值，而r p 的阻值又正比于液位高度厅。因 此可直接从刻度盘上读得液位高度厅。 5 电容式湿度传感器 氰化锂薄层 某于微变电容的角度振动传感器的研究j 实现 图1 1 0 湿敏电容的结构图 电容式湿度传感器主要用来测量环境的相对湿度。传感器的感湿元件是高分子薄膜 式湿敏电容，其结构如图1 1 0 所示。它的两个上电极是梳状金属电报，下电极是一多孔 透气性金属电极，上下电极间是亲水性高分子介质膜，两个梳状上电极、高分子薄膜和 下电极构成两个串联的电容。当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收 或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量改变。 6 电容式接近开关 电容式接近丌关是根据变极距型电容式传感器原理设计的。它由高频振荡、检波、 放大、整形及输出等部分组成。其中装在传感器主体上的金属板为定板，被测物体上的 相对应位置上的金属板相当于动板。工作时，当被测物体位移后接近传感器主体时( 接 近的距离范围可通过理论计算或实验取得) ，由于两者之间的距离发生了变化，从而引 起传感器电容量的改变，使输出发生变化。此外，开关的作用表面可与大地之间构成一 个电容器，参与振荡回路的工作。当被测物体接近开关的作用表面时，回路的电容量将 发生变化，这种变化使得高频振荡器的振荡减弱直至停振。振荡器的振荡及停振信号由 电路转换成开关信号送至后续开关电路中，从而使传感器按预先设置条件发出信号，控 制检测机电设备，使其正常工作。 电容式接近开关主要用于定位及开关报警控制等场合，具有无抖动、无触点、非接 触检测等优点，其抗干扰能力、耐蚀性能比较好。这种接近开关尤其适用于自动化生产 线和检测线的自动限位、定位等控制系统，以及一些对人体安全影响较大的机械设备( 如 切纸机、压模机、锻压机等) 的行程和保护控制系统。 硕l ：学位论文 图1 1 1 人体接近电容式传感器电路图 图1 1 1 是人体电容接近开关的电路图。c l 与三i 构成并联谐振电路，三2 和v t 形成共基 极接法，c 4 是反馈电容，c 5 是耦合电容，r 3 与c 3 形成去耦电路。r i 和尺2 是偏置电阻，它 们与c 2 形成选频网络。电位器用于调节接近距离。v d i 与v d 2 构成检波电路。c 6 是检波 电容，c o 是人体与金属棒形成的电容。若人体接近金属棒，c o 变大，与c 4 并联后使反馈 电容增加，从而减弱振荡，经v d l ，v d 2 检波后，输出的电压为低电平。否则，振荡器 正常振荡，输出高电平。 1 2 微机电系统弱信号检测技术 随着科学技术的发展，微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 技 术越来越多地被应用在各种测量场合，而m e m s 中的信号均是各种微弱信号，如弱光、 小位移、微振动、微应变、微温差、弱磁、微电流、低电平电压等。因而逐渐形成微弱 信号检测这门新兴的分支技术学科，应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、 地质、环保、医学、激光、材料等领域。在研究宏观和微观世界的过程中，科学工作者 们不断开发出能把掩没在噪声中的大量有用信息检测出来的理论和方法，通过不断地系 统化、完整化，从而形成了一门新的微弱信号检测的学科分支。微弱信号检测技术是采 用电子学、信息论、计算机及物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信 号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信掣5 】【6 l 。微弱信号检测的目的是从强 噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。对 微机电系统中的弱信号检测理论的研究，探索新的微弱信号检测方法是目前检测技术领 域的一个热点。 1 2 1 微机电系统概述 微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处 理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。微机电系统主要包 括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。作为输入信号的自然界各种信息首先 通过传感器转换成电信号，经过信号处理后( 包括模拟数字信号间的变换) 再通过微执 行器对外部世界发生作用。微型传感器是整个系统的基础，也是研究的难点。执行器则 根据信号处理电路发生的指令自动完成人们所需要的操作。信号处理部分则可以进行信 号转换、放大和计算等处理【。7 】【引。 微机电系统的特点主要是：结构微型化，m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯 性小、谐振频率高、响应时间短；以硅为主要材料，机械电器性能优良，硅的强度、硬 度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨：批量生产，用硅微加工工 艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的m e m s 。批量生产可大大 降低生产成本；集成化，可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执 基于微变l u 容的角度振动传感器的研究j 实现 行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在 起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、 稳定性很高的m e m s ；多学科交叉，m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自 动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 结合本文实际，微机电系统在汽车工业上的应用主要有压力传感器、微加速度计和 微机械陀螺仪等。 1 压力传感器 汽车电子控制系统一直被认为是m e m s 压力传感器的主要应用领域之一，可用于 测量进气歧管压、大气压、油压、轮胎气压等1 9 】_ 【12 1 。 最流行的汽车m e m s 压力传感器采用压阻式力敏原理，这是现有几种力敏传感器 中用量最大的一种，开发出几代产品，年产量为数千万只。这种传感器用单晶硅作材料， 以m e m s 技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成4 只应变电阻， 再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，获得高灵敏度，其输出大多为o 5 v 模拟 量，测量范围取决于力敏膜片的厚度，一枚晶片上可同时制作许多个力敏芯片，易于批 量生产，力敏芯片性能受温度影响，采用调理电路补偿。 2 微加速度计 微加速度计通常由一个平行的悬臂梁构成，梁的一端固定在边框架上，另一端悬挂 一个小质量物体块( 约l o m g ) 。无加速度时质量块不运动，而当有垂直方向加速度时， 质量块运动，对加速度敏感，并转换为电信号，经c 转变、放大相敏解调输出。 按检测方式，微加速度计有压阻式、电容式、隧道式、共振式和热流式等几种。其 中，电容式微加速度计质量块在有加速度时运动，与边框上的另一个电极的距离发生变 化，通过检测电容的变化可获得质量块运动的位移，主要结构分为悬臂摆片式和梳齿状 的折叠梁式，并变异成其他类型。前者结构相对简单些，制作上也多采用体硅加工方法， 简单的摆片式结构由上、下固定电极和可动敏感硅悬臂梁电极组成，用半导体平面工艺 各向异性腐蚀，静电封接技术封装完成制作。后者可看作悬臂梁的并、串组合，设计上 要复杂得多，微加工方法则以表面牺牲层技术为主，多晶硅材料的各向同性性质可保证 微机械性能的对称性，批量加工精度高，采用这种结构的敏感部分尺寸做得很小，实现 与外围电路的单片集成。 电容式微加速度计的灵敏度高、噪声低、漂移小、结构简单，在汽车安全气囊系统 和防滑系统获得广泛应用，安全气囊系统检测碰撞的微加速度计的检测范围为3 0 5 0 9 ，精度1 0 0 m g ，检测侧面碰接大约为2 5 0 9 或5 0 0 9 ，防滑稳定系统的测量范围2 9 ， 精度1 0 m g 。 3 微机械陀螺仪 微机械陀螺仪是一种振动式角速率传感器，在汽车领域的应用丌发倍受关注，主要 用于汽车导航的g p s 信号补偿和汽车底盘控制系统，应用潜力极大。 硕， ：学位论文 微机械陀螺仪中有两个振动模式，一个是横向振动模式，即驱动振动模式，通常称 为参考振动，在哥氏力作用下会产生附加运动；另一个是法向振动模式，即敏感振动模 式，对反映哥氏力的附加运动的检测，获得包含在哥氏力中的角速率信息。 按所用材料，微机械陀螺分为石英和硅振动梁两类，石英材料结构的品质因数q 值 最高，性能最好，但是石英加工难度大，成本高，无法满足低成本要求。硅材料结构完 整，弹性好，比较容易得到高q 值的微机械结构。随着深反应离子刻蚀技术的出现，体 硅微机械加工技术的加工精度显著提高，在硅衬底上用多晶硅制作，并批量生产，驱动 和检测较为方便，成为当前低成本研发的主流。从硅微机械陀螺仪的结构上，常采用振 梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构等。用来产生参考 振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等，而检测由于哥氏力带来的附加振 动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、电容检测的陀螺设计最为 常见，已有部分产品研制成功。 现有的硅微机械陀螺产品的性能不高，精度一般在0 1 0 s ，能满足汽车应用要求， 但要获得大量应用，还需解决测量电路和封装稳定性、可靠性、价格等诸多问题。 1 2 2 微弱信号检测技术 所谓“微弱信号”，一方面指有用信号的幅度相对于噪声或背景显得很微弱，甚至 于完全被噪声或背景淹没，如用电容法分析中药溶液某成分的浓度时，电容变化非常缓 慢，用普通方法测量几乎不变；另一方面指有用信号的幅度绝对值极小，如在过程工业 中有时需要检测p f ，f f 级的微弱电容值。因此，微弱信号检测的原理、方法和仪器己 成为现代科学研究不可或缺的理论和手段。研究微弱信号检测技术，对提高检测信号的 灵敏度具有重大意义。 微弱信号检测技术研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有用信 号。微弱信号检测的宗旨是研究如何从噪声中提取有用信号的问题。所谓“有用信号” 就是能传递信息的物理量。如电信号的振幅、相位、频率、波形；光学信号的光强、波 长；力学中的位移、压力、流速；溶液中的成分浓度、介质分布等等。研究微弱信号检 测的原理及方法，可以测量传统观念认为不能测量的微弱量( 例如：小电容、微电导、 微电流、弱光、小位移、微振动、微温差、弱磁、弱声等) ，使微弱信号测量精度得到 很大的提高。在实际测量时，常采用不同的传感器把非电量的物理量、化学量或生物量 变换成模拟电信号再进行测量。 微弱信号一般是指其信号幅度的绝对值非常小，其信噪比很低( 1 ) 的信号。例 如，电压值在微伏、亚微伏乃至纳伏量级，电流量小到纳安量级，电容值低于皮法量级， 远低于噪声电平，并和噪声信号始终混杂在一起。传统观念认为，若信号若与噪声，则 无法进行信号测量。而微弱信号检测开创了从噪声中提取信号，使可检测下限低于噪声 水平。微弱信号检测的这一弱信号测量新途径，其具体方法是随信号类型不同而不同。 堆f 微变f u 容的角度振动f 譬感器的研究j 实现 检测有用微弱信号的困难并不在于信号的微小，而主要在于信号的不“干净”，被噪声 淹没了。所以，将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声。 在广泛意义上，可以认为噪声就是扰乱或干扰有用信号的某种不期望的扰动。包括 自然界或“人为的 其他干扰和出电系统材料和器件物理产生的自然扰动。从原则上讲， 前者可以采用适当的屏蔽，滤波或电路元件的配置等措施，这些干扰往往可以减小或消 除。后一部分是处于绝对零度以上的所有电导体中呈现的热噪声，这就是所谓真正的噪 声，它既不能精确地预见，也不能完全消除，但是可以控制。 提高信号检测灵敏度或降低噪声的基本方法有以下两种： 1 从传感器及放大器入手，降低它们的固有噪声水平，研制和设计低噪声的放大器， 例如，对直流信号采用斩波稳零运算放大器( 如f 7 6 5 0 ) ，对交流信号采用o p 系列运算 放大器等； 2 分析噪声产生的原因和规律，以及被测信号的特征，采用适当的技术手段和方法， 把有用信号从噪声中提取出来，即研究其检测方法。微弱信号检测主要是利用后一路径。 除噪声外，信号通道中还可能存在干扰。干扰与噪声有本质区别。噪声由一系列随 机电压组成；而干扰通常都有外界的干扰源，有些为周期性的，如工频干扰、同频干扰 等，有些为瞬时的，如冲击电压、电磁干扰等。干扰对微弱信号的检测同样是有害的， 但可以根据干扰源的不同特点，采用相应措施加以消除。 1 3 论文主要工作 运用微机械加工技术生产的微变电容式传感器己在各个检测领域得到广泛应用，是 种具有良好发展前景的传感器。这种传感器是利用惯性质量块与检测电极板间的空隙 发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的，因此其电容变化量往往很小，受各 种干扰的影响非常明显。特别在实际系统中被测电容变化量可达p f 甚至f f 量级，属于 微弱电容。因此微变电容测量技术对于指导生产实践工作具有重要的实际意义，同时又 是一个亟待解决的难题。 本文以微变电容检测技术的原理和方法为研究对象，通过理论分析和实际试验，验 证了在振动、角度检测领域中运用微变电容检测技术间接测量各参数的可行性。本文的 主要工作和具体安排如下： 第一章绪论。主要介绍了微变电容和微弱信号检测技术的相关知识，简单介绍了 电容式传感器的原理和微弱信号检测技术的基本理论，阐述了微变电容测量技术的研究 意义，最后说明了本文的主要工作。 第二章微变电容式传感器检测的理论研究。主要概述了微变电容传感器的工作原 理，分析了系统噪声产生的方面，介绍了几种基于不同工作原理的微小电容测量方法和 信号处理算法，最后得出了本文所采用的微变电容的检测方法，并分析了其中的难点和 解决的主要方法。 硕i ：学位论文 第三章微变电容式传感器硬件电路设计。从总体上介绍了微小差分电容式传感器 的整体设计方案，详细说明了硬件电路的各个部分，包括接口电路，信号激励和电容转 换，单片机处理模块，信号输出等模块。 第四章软件设计。从单片机控制产生激励源开始，系统阐述了整个系统的软件实 现过程。电容式传感器经过信号源激励产生原始信号，通过单片机中断系统进行数据采 集，接下来对原始信号进行预处理和初步的滤波，再采用适当的算法分别得出角度信号 和振动信号。还需要进行零点漂移的修订和温度补偿等处理，最终得出有效的信号，通 过一定的通信协议进行外部扩展。 第五章传感器性能测试。对传感器在不同角度振动情况下进行了性能检测，分别 是仅角度改变，仅振动和角度改变过程中伴随振动，并给出了每一步信号处理完成后的 波形图。 基于微变l 乜容的角度振动传感器的研究j 实现 第2 章微变电容检测的理论分析 c 0 ：兰掣 ( 2 2 ) c = c o 瑚2 粒2 嘲2 搦亿3 ， 当d 以时，1 一乡o ：l ，则( 2 3 ) 式可以简化为： c ：$ 掣却g 等 眨4 ， 硕：l ：学位论文 竺：丝r l 一丝1 。1 c o盛l盛j 当酣 盛时，将( 一等 - l 按级数展开得到： 等= 等小+ 等+ ( 等) 2 + ( 等) 3 + ， c o蟊l 蟊i 哦j 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 略去高次项，得到 箜：丝 ( 2 7 ) c o成 于是得到传感器的灵敏度s 为： s = 筹专= 等嘉 汜8 ， 厶d d od 0 d z 可以看出，灵敏度s 与初始极板间距玩成反比，因此，在设计传感器时可以通过减少间 距的办法来提高灵敏度。 式( 2 6 ) 考虑线性项和二次项，则有 竺：丝f ，l + 丝、1 ( 2 9 ) 一= 一l _ + 一l z ，j c o吨l 蟊 式( 2 6 ) 的特性曲线如图2 1 中的曲线l ，式( 2 9 ) 的特性曲线如图2 1 中的曲线2 。 0 4 0 3 0 2 a l o o 。1o 20 3o 。4 图2 1 变间隙型电容加速度传感器的非线性特性 当以曲线2 为加速度的特性曲线时，其对曲线1 的非线性误差为：