（微电子学与固体电子学专业论文）复杂电极结构的单片式电容微位移传感器.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 摘要 电容微位移传感器作为一种非接触式精密测量仪器，具有测量范围大、结构简单、 稳定可靠、使用方便等优点。但现有的电容微位移传感器一般采用传统的平行极板形 式，存在着很大的局限性，如体积要求、安装限制等。 本文讨论了传统的电容传感器的结构和工作原理，在此基础上提出了新型的电容 传感器探头结构。它与传统的平行双金属极板电容结构不同，检测电容的两个极板做 在了同一个平面极板上，这样用于在线检测时此探头安装方便，能实现高精度、高效 率的非接触测量，因而在现代化的工业测量中将具有广泛的应用和前景。 由于这种单片式电容传感器的电极所产生的电场呈散射状，运用传统的电磁场理 论很难得到精确的解析解，给传感器的设计及性能优化带来很大困难。本课题采用 a n s y s 有限元仿真的方式，讨论了被测物为金属和非金属时的传感器特性，对传感 器两电极间隙、厚度与敏感范围之间的关系进行了分析，后根据仿真结论进行了实验。 具体实验采用印制电路板( p c b ) 工艺制成了6 种不同结构参数的传感器探头，针 对金属和非金属被测物进行了实验，验证了仿真结论，即相同面积下，复杂形状的电 极结构与简单单片电容相比，复杂形状电极的传感器初始电容值和灵敏度都更大，其 特性优于传统平行板电容微位移传感器。 不同的复杂电极参数也会对传感器特性有不同的影响。具体结论如下：1 ) 随着 电极间隙的增加，传感器量程增大但其灵敏度减小；同一间隙下，双叉指型电极 传感器的量程和灵敏度指标都比早字型传感器高；3 ) 对于6 种不同参数的传感器， 其灵敏场分布不均匀，都呈分段线性的关系，被测物距离越近，传感器灵敏度越高。 综合金属和非金属的实验数据，可见本文设计的单片式复杂电极结构的电容微位移传 感器可用于不同对象的位移测量：测量金属时，量程最大可到6 0 0 01 tm ，最高灵敏度 为3 8 f f l jm ；测量非金属时，量程最大可到1 7 0 l am ，最高灵敏度为6 2f f um 。 论文最后研究了电容量( 后转换成为电压) 和被测距离之间非线性关系的拟合方 法，运用p r o t e u s 软件对总体方案的可行性进行了论证，在一定程度上可实现样机的非 线性校正。 关键词电容传感器；微位移测量；a n s y s ；复杂结构电极 a b s t r a c t a san o n c o n t a c ti n s t r u m e n tf o rs m a l l d i s t a n c em e a s u r e m e n t ，t h eh i g l l a c c u r a c y c a p a c i t a n c em i c r o m e t e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sw i d em e a s u r i n gr a n g e ，s i m p l e s t r u c t u r e ，e a s yt ou s ee t c h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lc a p a c i t a n c em i c r o m e t e r ( d o u b l ep a r a l l e l e l e c t r o d e sc a p a c i t a n c es e n s o r ) h a sm a n yd e f e c t s ，s u c ha sv o l u m ea n di n s t a l ll i m i t s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o ，n a lc a p a c i t a n c em i c r o m e t e ra r eo u t l i n e d o nt h i sb a s i s ，a n e wt y p eo fc a p a c i t a n c es e n s o rs t r u c t u r ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a l c a p a c i t a n c em i c r o m e t e r i th a st h et w o e l e c t r o d e si n s t a l l e do nt h es a m es i d ew h i c hc a nb e c a l l e ds i n g l e - c h i pc a p a c i t a n c es e n s o r i tc a nr e a l i z en o n c o n t a c tm e a s u r e m e n ti nh i ：g h d e f i n i t i o na n d e f f i c i e n c y , s o i tw i l lb ew i d e l yu s e di nt h em o d e mi n d u s t r ym e a s u r e m e n ta n d h a sag r e a tp r o s p e c ti nt h ef u t u r e t h ee l e c t r i cf i e l dg e n e r a t e db yt h i ss i n g l e - c h i pc a p a c i t a n c es e n s o ri ss c a t t e r i n g , s oi ti s h a r dt ou s et h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yt oo b t a i na c c u r a t ea n a l y t i c a ls o l u t i o n s ， w h i c hc a u s e sg r e a td i f f i c u l t i e st oo p t i m i z et h es e n s o rp e r f o r m a n c e u s i n ga n s y sf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t ht h es p e c i f i cw a yo fe x p e r i m e n t , t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ee l e c t r o d es e p a r a t i o n ，t h i c k n e s so fe l e c t r o d e sa n ds e n s i t i v er a n g eo fs e n s o ra r e a n a l y z e di nt h i st h e s i s u s i n gp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) t e c h n o l o g y , 6d i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f t h e s e n s o ra r em a d e f o rm e t a la n dn o n m e t a lm a t e r i a l sm e a s u r e d ，t h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o n s a r ev e r i f i e d ：c o m p a r e dw i t hs i m p l e s i n g l e c h i pc a p a c i t a n c es e n s o r , t h es i n g l e - c h i p c a p a c i t a n c es e n s o rw i t hc o m p l i c a t e de l e c t r o d e sh a sl a r g e ri n i t i a lc a p a c i t a n c ea n dh i g h e r s e n s i t i v i t y , a n di t sc h a r a c t e r i s t i ci sb e t t e rt h a nt h ef o r m e rf o rag i v e ns e n s o ra r e a d i f f e r e n tp a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c et ot h es e n s o rc h a r a c t e r i s t i c s t h e c o n c l u s i o n sa r e ：1 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fe l e c t r o d es e p a r a t i o n ，t h er a n g eo fs e n s o ri n c r e a s e s w h i l ei t ss e n s i t i v i t yd e c r e a s e ；2 ) t h ed o u b l e i n t e r d i g i t a le l e c t r o d es e n s o rh a sl a g e rr a n g e a n dh i g h e rs e n s i t i v i t yt h a nt h ez a o z ip a t t e r ns e n s o ri nt h ec o n d i t i o no fs a m ee l e c t r o d e s e p a r a t i o n ；3 ) t h es e n s i t i v i t i e so f6 s e n s o r sa r el i n e a rb ys e c t i o n ，e a c hs e c t i o nh a sd i f f e r e n t s e n s i t i v i t y t h ec l o s e rt h eo b j e c tb e i n gm e a s u r e di s ，t h eh i g h e rs e n s i t i v i t yc o u l db e t h e s e n s o rd e s i g n e di nt h i st h e s i sc a nw o r kw e l lf o rb o t hm e t a la n dn o n m e t a lo b j e c t s ：i th a sa r a n g eo f6 0 0 0l am ，s e n s i t i v i t yo f3 s f f l am f o rm e t a lo b j e c t sa n dh a sar a n g eo f1 7 0um ， s e n s i t i v i t yo f6 2 f f umf o rn o n m e t a lo b j e c t s f i n a l l yt h ef i tm e t h o do fn o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a p a c i t a n c e ( a l t e r e di n t o v o l t a g el a t e r ) a n dt h em e a s u r e dd i s t a n c ei sd i s c u s s e d u s i n gp r o t e u ss o f t w a r e ，t h eo v e r a l l p r o g r a mf e a s i b i l i t yh a sb e e nd e m o n s t r a t e d ，a n dt h en o n l i n e a rc o r r e c t i o no ft h ep r o t o t y p e c a nb er e a l i z e dt oac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：c a p a c i t i v es e n s o r ；s m a l l d i s t a n c em e a s u r e m e n t ；a n s y s ；c o m p l i c a t e e l e c t r o d e s 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：奈，夏辛。指导老师签名： 夕 阮锣纱 1 日期：跏7 口，7 日期：如归，夕 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 针对传统的平行双极板电容传感器在应用中存在的问题和局限性进行了 研究，提出一种新型的复杂电极结构的单片式电容微位移传感器，运用 a n s y s 软件对其特性进行了仿真，讨论了被测物为金属和非金属时的传 感器特性，分析了电容传感器电极各参数对传感器特性的影响。 2 采用p c b - f _ 艺制作了6 种不同的传感器探头结构并制成了样机，对金属 被测物和非金属被测物进行了位移测试，验证了仿真结论，即相同面积下， 复杂形状的电极结构与简单单片电容相比，复杂形状电极的传感器初始电 容值和灵敏度都更大，其特性优于传统平行板电容微位移传感器。具体来 说，1 ) 随着电极间隙韵增加，传感器量程增大但其灵敏度减小；2 ) 同一 间隙下，双叉指型电极传感器的量程和灵敏度指标都比早字型传感器高； 3 、) 对于6 种不同参数的传感器，其灵敏度分布不均匀，都呈分段线性的关 系，被测物距离越近，传感器灵敏度越高。综合金属和非金属的实验数据， 可见本文设计的单片式复杂电极结构的电容微位移传感器可用于不同对 象的位移测量：测量金属时，量程最大可到6 0 0 0i tm ，最高灵敏度为3 8 f f um ；测量非金属时，量程最大可到1 7 0 | lm ，最高灵敏度为6 2f f um 。 3 研究了电容量( 后转换成为电压) 和被测距离之间非线性关系的拟合方法， 运用p r o t e u s 软件对总体方案的可行性进行了论证，在一定程度上可实现 样机的非线性校j 下。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： r 期： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术和工业的快速发展，精密测试技术正在成为一个国家科技水平的标 志之一。本文讨论精密测试技术其中的微位移测量技术。微位移测量技术涉及至盯电 子业及精密仪器制造业等各行业。在制造业、铁路、交通等行业的动态检测及自动化 生产多个方面，也经常要涉及到运动物体的准确定位问题。对运动物体的定位本质上 就是对物体位置的测量，即位移测量。通过定位，可以实时测量出被测物体的运行状 态等参数，从而实现工业生产自动化。而在我国的大部分中小企业中，微位移测量都 是依靠人工完成，花费在测量上的时间相当可观，也影响了企业的生产效率和经济效 益。 总的来说，传统的接触式微位移测量跟不上现代工业发展的非接触测试要求，新 型的非接触式微位移测量器件一般价格较高或者体积较大、不易安装，本文针对以上 问题，试图研究一种能够实现非接触测量、灵敏度较高、成本较低、易于实现的微微 位移传感器。下面先就各种微位移传感器的原理和特点作一介绍，并分析其优缺点和 应用范围，最终选定一种微位移传感器作为研究和改良目标。 1 2 微位移传感器概述 1 2 1 微位移传感器分类及特点 由于位移检测是一个很重要的物理测量量，国内外学者研究出了很多种位移测量 方法，针对位移测量应用的不同场合，形成了各种各样的位移传感器【1 】。 传感器的作用是把各种被测物理量转换为另一种便于测量的物理量，根据测量机 理的不同，常用的微米级位移测量传感器可分为四种：1 机械式位移传感器；2 磁致 伸缩式位移传感器：3 光电式位移传感器；4 电学式位移传感器。第一种机械式传感 器，目前还多用于低精度测量中，后四种主要用在高精度的测量中。 1 机械式位移传感器：大部分都是基于简单的物理机械特性的接触式测量，测 量时将被测物和标准测量器具进行比较，得出位移量的变化值。常用器具有游标卡尺、 螺旋测微仪等。由于机械式位移传感器测量原理比较简单，本文不详细 兑明。 机械式位移传感器主要优点是结构比较简单，价格低廉，不过测量的精度不够， 依赖人来操作每一步骤，读取数据不方便，要进行多次测量，测量速度依赖人的操作、 测量速度慢。不易实现实时测量和无接触测量，难与微机接口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 磁致伸缩位移传感器：磁致伸缩位移传感器由外壳、不锈钢测杆、波导线( 磁 致伸缩线) 、可移动的永久磁铁及由单片机组成的电子部件所组成，是磁致伸缩原理 的一种应尉；其结构见图1 。1 。它的工作原理是利用两个不同磁场相交产生一个应变 脉冲信号，然后计算这个信号被探测到所需要的时间，从而换算出两个不同磁场相交 时所处的位置。这两个磁场一个来自可移动的永久磁铁，另一个由电子部件给出的电 流脉冲( 询问脉冲) 在波导线上产生并沿波导线传播，从而在波导管外产生一个圆周磁 场。当这两个磁场相交时磁场的矢量叠加会形成螺旋场，产生瞬时扭力，使波导线扭 动而产生张力脉冲。把这个张力脉冲作为回应脉冲，此时只要测得回应脉冲与询问脉 冲的时问问隔再乘以一个固定的传播速度，便能计算出可移动磁环所处的位置。实际 测量时需要在波导丝的远端通过阻尼器衰减张力脉冲，以保证其不会在波导丝上反 射，另外，要将可移动的永久磁铁与被测物体安装在起【2 1 。 圆周磁场 阻尼器 图1 - 1 磁致伸缩位移传感器原理 磁式位移传感器的线性量程一般为5 卜5 0 0 0n l l n ，精度至0 0 0 2 f s ，即可达 1l am 。由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在 极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。传感器输出信号 为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感 元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提 高检测的可靠性和使用寿命。可广泛应用于石油、化工、水利、饮料等行业的各种液 罐的液位计量和控制，汽车加油系统及各种液压罐、水文监测、水处理等。它的输出 信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存 在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它液位传感器一样需要定期重标和维护。但 其体积偏大，价格较高的缺点影响了它的广泛应用。 3 光电式位移传感器：光电式位置传感器是一种新型的半导体位置探测器。它是 种以光电器件作为转换元件，将被测量通过光量的变化转换成电量进行检测的传感 器。光电式传感器一般由光源和光电元件( p s d ) 两部分组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 p s d 是基于侧向光电效应的传感甜3 l ，其一维结构如图卜2 所示，从上到下分别 为p + 扩散层、耗尽层、n 一型硅层、n + 型扩散层。光敏面p + 层上有左右两个电极1 1 、1 2 ， 图1 - 2p s d 结构 p + 层 i 层 n 一层 n + 层 n + 层中间有一公共极i o 。p s d 吸收足够能量的光子，产生电子一空穴对，则电子向n 侧运动，空穴向p 侧运动，而光敏面上两个电极中的电流1 1 、1 2 之和等于公共电极 电流i o 。其大小为 ，1 = 三( 1 一詈z ) ，。 ，2 = 兰( 1 + 昙z ) ，。 ( 1 - 1 ) 其中是维p s d 长度，即两电极的间距。j 是以长度的中点为原点的光点入射 位置。 由( 卜1 ) 可以求得： x = 鲁f 黜1 - z 、)x = 一l ik l 2i ，2 + nl 以上为一维p s d 测量位置的基本原理。实际测试时，光源发射光线，由光电元件 ( p s d ) 接收，在检测时，被测量改变使接收光的光电元件的输出电量也作相应的变化 来表示被测量的大小。如图1 - 3 ，半导体激光器发出的激光束照射到待测工件表面， 经反射后垂直投射在p s d 感光面上产成对应的光电流。因此待测工件的位置变化将 引起p s d 激光光斑的移动，光电流随之改变，及时反映工件的位移状况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 - 3 光电式位移传感器原理 如图卜3 所示，工件位移变化为d ，激光束与被测物平面的夹角为夕，则对应光 点在p s d 的位置变化为刀，得出 d = 2 dc o s p( 卜3 ) 光电式传感器量程为1 0 r a m 时，其精度为1 咄m 。它具有结构简单、精度高、响应 快、非接触、性能可靠等优点。其缺点是在某些应用方面，光学器件和电子器件价格 较贵，并且对测量的环境条件要求较高。而根据它的原理决定，需要被测体能反光， 传感器和被测体之间的光路不能被阻挡。原则上来说被测体不能是镜面或绝对黑体。 4 电学传感器( 典型的有电感式、电涡流式和电容式) ： 1 ) 电感式位移传感器是利用电磁感应将被测的物理量转换成线圈的自感或互感 的变化，再通过测量电路转换为电压或电流的变化量输出。 大多数的自感式电感传感器是利用磁阻的变化，即利用位移改变磁路的磁阻。一 种变磁阻式位移传感器的结构如图1 - 4 所示，由线圈、铁芯和衔铁组成。铁芯和衔铁 都由导磁材料如硅钢片制成。在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为6 。传感器 的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度6 发生变化，从而使磁路中磁阻变 化，引起电感线圈的电感值发生变化，从而可通过电感的测量实现位移的测量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 芯 图1 - 4 变磁阻式位移传感器的基本结构 这种传感器的目标物体材料一般是高磁导率、低电导率的金属，量程为1 0 u m 一 1 0 0 0 u r n ，最小精度为耋1 f s ，即0 0 1 a m 。它的优点是结构简单可靠、输出功率大、 输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨率较高稳定性好。它的缺点 是被测物必须是金属，且频率响应低，不宜用于快速动态测量，必须采用接触式测量。 2 ) 电涡流位移传感器 电涡流位移传感器的工作原理是电涡流效应，当一块金属导体放置在一变化的磁 场中时，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中的漩涡一样在导体内旋转，所以 称为电涡流。 电涡流式传感器在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的激磁电流 的频率有关，所以电涡流式传感器主要可分为高频反射和低频透射两类，其中前者应 用较广泛。 如图1 5 ( a ) 所示，通有正弦交变电流儿的线圈，由于电流的变化，在线圈周围 产生一个正弦交变磁场日1 。当被测导体置于该磁场内时，在被测导体内产生电涡流 1 2 ，电涡流，2 也将产生交变磁场h 2 的方向与小的方向相反。由于磁场h 2 的反作用， 会抵消部分原有磁场，从而引起线圈的电感量、阻抗和品质因数的变化。图1 5 ( b ) 是电涡流式传感器测位移的原理图，当固定其他参数不变，只改变传感器探头和被测 物体的距离x 时，传感器的输出是x 的函数，由此可以求出x 的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 i 懈 ：眇揪 秘 x 捌 ( a ) 电涡流产生原理简图( b ) 电涡流式传感器测位移的原理图 图1 5 电涡流式传感器 这种传感器利用电涡流原理，可在不接触金属目标的情况下，准确探测到金属目 标的存在，测量线性范围大，而且不受敏感线圈与被测目标体之间的非金属介质( 如 油污) 的影响，因此在机械测量方面有广泛的用途。目前，已广泛用于实现金属目标 体位置、位移的测量，测量精度可达几微米，但要求被测物体表面是金属面，非金属 面不能使用，因此易受电磁干扰的影响 4 1 。而且由于电涡流式位移传感器是利用线圈 和被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际传感器”的一部分， 其材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。被测导体的电导率、磁导 率和表面是否有镀层都会影响其测量精度，其量程一般是毫米级，精度一般是微米级。 3 ) 电容式传感器：电容传感器是近年来发展最快的用以测量微位移的方法之一， 传统的电容式位移传感器是一对互相绝缘的极板，一个极板固定，另一个极板安装在 被测物体表耐5 l 或就是被测物本身。前一种情况，当物体和电极一起移动时，两电极 间距发生变化，导致传感器等效电容发生变化。后一种情况，当物体移向传感器时， 物体和传感器间介电常数发生变化，等效电容随着变化，由此，便可测量出物体的位 置，其基本结构如图1 6 所示。 ，被强l 肠 广一 ：l 二二二二二二 蝴 二二二二二二 电阪 ( a ) 电极安装在被测物表面( b ) 被测物充当一个电极 图1 - 6电容式位移传感器原理 只要材料有耐环境性和抗老化性，便能长期稳定地工作，并且电容极板间的吸引 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 力可以忽略不计，极板质量可以很小，若可动极板本身就由被测导电介质所构成，则 丝毫不增加运动件的质量和惯性。设计恰当的情况下，能对0 0 1l im 左右的微小位移 有敏感反应。从电容位移传感器结构形式看，目前主要有：平面变极距型、平面变面 积型、平面变介电常数型等类型，也有采用曲面型的上述传感器。在这些传感器中， 最基本的是平面变极距型。 电容式位移传感器的原理较简单，主要特点有：非接触式测量、频率响应快、没 有机械损失、温度稳定性好。同时，电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高 的精度，可以做的非常小巧，以实现某些特殊的测量，能在特殊条件下工作。电容式 传感器一般用金属作为电极，以无机材料( 玻璃、石英、陶瓷等) 作为绝缘支撑，基本 上不需要使用有机材料或磁性材料，因此能工作在高低温、强辐射的条件下。这种传 感器检测的物体并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。 综上所述，电容式位移传感器具有无接触测量的优点，其性价比高、易做成便携 式仪器，同时对被测物是金属或非金属没有要求，因而具有广阔的市场空间和推广价 值。 1 2 2 微位移传感器的研究现状和发展方向 纵观现在的微位移测量技术发展方向，有以下几个特点： ( 1 ) 澳t j 量的精度越来越精确，测量精度由微米级向纳米级发展，测量分辨力进一 步提高；( 2 ) 实时动态测量；( 3 ) 非接触测量：( 4 ) 高速度；( 5 ) 小体积及测量设备的低功 耗等；( 6 ) 测量工具的使用操作越来越简单，甚至全自动。 微位移检测技术的发展，经历了经典电磁位移检测阶段和光学测量位移阶段。近 二十年来，微位移检测技术水平不断提高，获得了巨大的进步，涌现出了许多新型的 检测技术和手段，但在实用性和经济性上尚没有很好的结合点。目前，高精度的微位 移传感技术应用市场被国外少数几家厂家所垄断。微位移检测传感技术在我国的研究 范围还不多见，这类技术的产品也不很丰富。 就位移测量的应用来说，对于一些测量环境比较恶劣、测量精度要求高的应用场 合，可以选择光学检测位移传感技术进行测量；而对于一些用于实验观察或精度要求 不很高的应用场合，主要应用电磁位移传感器进行测量。 目前利用电容传感器进行微纳米级位移、振动测量研究和技术水平处于领先地位 的是美国和德国等。美国的l i o np r e c i s i o n 公司，其电容传感器产品已经能达到0 5 m n 的精度，分辨率为亚纳米：德国的p h y s i kl n s t r u m e n t e ( p i ) 公司生产的电容传感器也 能达到1n m 的精度，分辨率为亚纳米；英国的q u e e n s g a t ei n s t r u m e n t s 公司设计了一 套纳米定位装置，它通过压电驱动元件和电容位置传感器相结合的控制装置达到纳米 级的分辨率和定位精度1 6 j 。在国内，天津大学、哈尔滨工业大学、河北工业大学等高 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 校的研究者均发表过有关电容测微的研究论文与相关成果。其中，天津大学生产的 j d c 电容测微仪在传感器直径为3 5m m ，空气介质条件下的分辨率可达o 0 11 tm ， 其测量范围为1 0 0l a1 1 1 。 1 3 本文研究目的和主要内容 上面已经提到，科学和生产的快速发展要求要有高精度的检测仪器，但是一些高 精度的检测仪器或者不便用于生产过程的检测，或者价格昂贵，或者对环境要求很高。 如何适应现代生产的要求，设计出一些简便易操作精度高的仪器一直是科技人员 追求的目标。在此之中电容位移传感器以其独特的性质，备受青睐，人们在多方面做 了有益的尝试，也设计出了可靠的高精度的产品1 78 j ，使电容位移传感器的结构基本 成型。本课题是对原有的电容位移传感器结构进行进一步的研究，以期研制出一种新 型的电容微位移传感器。 本课题主要是针对传统的平行双极板电容传感器在应用中存在的问题和局限性 做出进一步研究，探讨一种的新电容传感器在微位移测量中的方法【9 1 。并仿真配合一 单片机检测电路，研制易操作、用于在线检测的通用性好、价格低的微位移智能测量 装置，最终研制的单片电容传感器测量金属时，量程最大可到6 0 0 0i lm ，最高灵敏度 为3 8 f f i tm ；测量非金属时，量程最大可到1 7 0um ，最高灵敏度为6 2f f l a1 1 1 。 本文的主要内容有： l 、介绍了微位移传感器分类、特点和研究现状，分析了其优缺点和应用范围， 并最终选定电容微位移传感器作为研究和改良目标。 2 、针对传统平行板电容位移传感器必须将被测物接入测量电路的缺点，对传感 器探头进行了特殊设计，先用软件仿真，讨论了被测物为金属和非金属时的传感器特 性，分析了电容传感器电极各参数对传感器特性的影响。后用p c b 工艺做出了6 种 不同的传感器探头，对金属和非金属被测物进行了位移测试，对理论结果进行校验， 并分析了不同的探头参数对传感器特性的影响。 3 、传感器信号的检测电路的设计：设计电路将测得的微小电容转换为电压输出。 4 、研究了电容量( 后转换成为电压) 和被测距离之间非线性关系的拟合方法， 用p r o t e u s 软件仿真进行了总体方案的可行性论证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章电容微位移传感器 电容式传感器是将被测量( 如尺寸、压力等) 的变化转换成电容量变化的一种传 感器。实际上，它本身( 或和被测物) 就是一个可变电容器。由上一章可知，它有独 特的优点，结构简单、高分辨力、可非接触测量、并能在高温、辐射和强烈振动等恶 劣条件下工作。 非接触式电容传感器的种类非常多，以传感器结构形式分为平面型、球面型和圆 柱型，又以平面型最为简单。以传感器参数变化形式分为变间隙型、变面积型和变介 电常数型，其中变间隙型传感器最为简单。一般的说，最基本最典型的类型为平面变 间隙式电容传感器，它应用最多。下面就对各种类型的电容传感器和其结构进行分析 和讨论。 2 1 电容传感器 2 1 1 电容传感器的工作原理 电容式传感器的基本工作原理是基于物体间的电容量与其结构参数间的关系 10 i 。由物理学可知，电容器的电容是构成电容器的两极板形状、大小、相互位置及 电介质介电常数的函数。以最简单的两个平行的平面金属板构成的平行板电容为例进 行说明，当不考虑边缘电场影响时，其电容量c 为 缘 场 图2 - 1 平板电容器 c 。竺( 2 1 ) 6 式中：占介质的介电常数； s 极板的面积； 6 极板间的距离。 由式可知，平板电容器的电容c 是f ，s ，6 的函数，即电容式传感器的工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 原理正是建立在上述关系基础上的。 具体的说，如将上极板1 固定，下极板2 与被测物体相连，当被测运动物体做上、 下移动( 即6 变化) 或左、右移动( 使s 变化) 时，将引起电容的变化。通过测量电 路可将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出，根据输出信号的大小， 即可测定运动物体位移大小，这样实现了微位移、微小尺寸及振动的测量。如果两极 板固定不动，极板问的介质参数发生变化导致介电常数产生变化时( 如介质在极板中 间的相对位置，介质的温度、密度、湿度等参数发生变化时，均能导致介电常数的变 化) 也会引起电容量的变化，故可据此测定介质的各种状态参数，如介质在极板中间 的位置，介质的湿度、密度等。总之，只要被测物理量的变化能使电容器中任一参数 产生相应改变而引起电容变化，再通过一定的测量电路将其转换为相应的电信号输 出，即可根据这种输出信号大小来判定被测物理量的大小，这就是电容式传感器的基 本工作原理。 2 1 2 电容传感器的基本类型 根据上述原理，在应用中电容式传感器有三种基本类型u “，即变极距或变间隙 型、变面积型和变介电常数型。而它们的电极形状又有平板型、圆柱形和球平面形( 较 少采用) 三种。 1 变极距型电容传感器 变极距型平板电容传感器应用较为广泛，主要用于测量微小位移变化，其原理如 图2 2 ( a ) 所示。其中1 为可动极板，2 为固定极板，当动片1 随着被测物3 移动时， 就改变了两极板问的距离，从而改变了电容量。但在许多场合电容式传感器只有一固 定极板4 ，而可动极板直接由被测金属平面5 充当，如图2 2 ( b ) 所示。当可动极板 笆竺竺等6 獭f 飞牛 ” 5 ( a ) 普通电容式传感器( b ) 被测物充当一极板的( c ) 差动式电容传感器 电容式传感器 图2 2 变极距型电容传感器原理图 1 可动极2 - 固定极3 一被测物禾固定极5 一被测物6 , 8 固定极7 - 活动极板 向上移动时，图2 2 ( a ) 、( b ) 结构的电容增量为 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 a c ；一三l 一堕，堕生。c 。生 ( 2 2 ) 6 一6666 一66 一6 式中：c o 极距为6 时的初始电容量，其余参数定义同式( 2 1 ) 。式( 2 2 ) 说明a c 与a 6 不是线性关系。但当a 6 6 ( 即量程远小于两极板间初始距离) 时，可以认 为a c 和a 6 是线性的。因此这种类型的传感器一般用来测量微小变化量。 为了提高灵敏度和线性度，以及克服某些外界条件( 如电源电压、环境温度) 变 化的影响，常采用差动式电容传感器，其原理结构如图2 2 ( c ) 所示。未开始测量时 将活动极板7 调至中间位置，两边电容相等。测量时，活动极板向上或向下平移，就 会引起电容量的上增下减或反之。这样增大了a c ，使得灵敏度得到了提高。 2 变面积型电容传感器 图2 3 是变面积型电容传感器的结构示意图。 与变极距型相比，它的测量范围 更大。当被测量变化使可动极2 位置移动时，就改变了两极板间的遮盖面积，电容量 c 也就随之变化。 1 卜 2 ( a ) 平行板式变面积型电容传感器( b ) 圆柱式变面积型电容传感器 图2 3 变面积型电容传感器原理图 1 固定极2 可动极 对于平板单边直线位移式，若忽略边缘效应，则电容增量为 ：e b a a ：c 。a a( 2 - j 一) = 一2 o k 么， 6a a 极板起始遮盖长度； 6 两极板间的距离； 缸动极板位移量。其他符号含义同式( 2 1 ) 。 由于平板形传感器的动极板稍向极间距方向移动时，将影响测量精度，因此一般 情况下，变面积型电容传感器常做成圆柱形，如图2 3 ( b ) 所示。由物理学可知，圆 柱电容器的电容量为 。赫 q - 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文弟1 2 页 式中：卜一外圆筒与内圆柱遮盖部分的长度； 尺，外圆筒内半径和内圆柱外半径，即它们的工作半径。 对于单边圆柱形线位移式，如图2 3 ( b ) 所示。当可动极2 位置移动时，忽略 边缘效应，电容变化量为 蜘l 而一 ； 兰：c 。a ( 2 5 ) 2 砑， 旺巧 其他结构形式的变面积型电容传感器的计算公式均可由( 2 1 ) 式推导出来，本 文不再细述。 近年来，在变面积型电容传感器的基础上发展出一种新型传感器，称为容栅传感 器【1 2 】，它分为长容栅和圆容栅两种，如图2 4 所示。在图2 4 ( a ) 、( b ) 中，1 和3 是固定容栅，2 和4 是可动容栅，在它们的a 和b 面上分别印刷( 或刻画) 一系列 均匀分布并互相绝缘的金属( 如铜箔) ，形状如图。将固定容栅和可动容栅的栅极面 相对放置，中间留有间隙，形成一对对电容，这些电容互相并联。当固定容栅、可动 容栅相对位置移动时，每对电容面积发生变化，因而电容值c 也随之变化，这样就 可测出线位移或角位移。 根据电场理论并忽略边缘效应，长容栅的最大电容量为 c m a x ：刀e a b( 2 6 ) 6 式中：厅可动容栅的栅极数； a 栅极长度； b 栅极宽度。 6 a ，b 面上栅极形状 ( a ) 长容栅传感器 j ，一 一一 一， 一 一， ，一 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 b ，3 l 、 a 7 l上、r 广 、i千 a ， 4 冬 6 ( b ) 圆容栅传感器 图2 - 4 容栅传感器结构原理图 1 ，3 同定容栅2 ，乒可动容栅 理论上最小电容量为零，实际上为固定电容c o ，称为容栅的固有电容。当可动 容栅沿x 方向平行于固定容栅不断移动时，每对电容的相对遮盖长度口将由大到小、 由小到大地周期性变化，电容值也随之由大到小、由小到大的周期性变化。 片状圆容栅结构示意图见图2 - 4 ( b ) ，两圆盘1 和2 同轴安装，栅极成辐射状， 当可动容栅4 随被测量而转动时，忽略边缘效应，最大电容量为 口f r 2 一r 2 1 c 啦；= 咒上( 2 7 ) 2 6 式中：尺，厂圆盘上栅极的外半径和内半径； 口每条栅极对应的圆心角，r a d 。其余符号含义同式( 2 1 ) 。 容栅传感器除了具有电容传感器的特点( 如动态响应快、结构简单、易于实现非 接触测量等) 外，还因多极电容及平均效应而使分辨力更高、测量精度高、对刻制精 度和安装等要求不高、量程大，是一种很有发展前途的传感器。现已应用于数显量具 ( 如数显卡尺、数显千分尺) 中。 变极距型和变面积型电容传感器一般采用空气作电介质。这是因为空气的介电常 数在极宽的频率范围内几乎不变，而且温度稳定性好。空气作介质的电容器与其他电 容器相比，介质的电导率极小，因此损耗极低。但这样使得电容值为皮法数量级，寄 生电容影响大，并要求传感器的绝缘材料有高的绝缘性能。 3 变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容传感器的结构原理如图2 5 所示。这种传感器大多用来测量电 介质的厚度、位移、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度和湿度改变而变化来 测量温度和湿度等。若忽略边缘效应，它们的电容量c 与被测量的关系如下所述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 变介电常数型厚度传感器( b ) 变介电常数型位移传感器 一 ( c ) 变介电常数型液位传感器( d ) 变介电常数型温度腽度传感器 图2 5 变介电常数型电容传感器结构原理图 在图2 5 b 冲，c 2 瓦赢丢丽 k 6 6 x 、| o + 6 x f 式中：f o 介质的介电常数； 5 两固定极板间的遮盖面积： 6 两固定极板间的距离； 6 x ，被测物的厚度( 被测值) 和它的介电常数。 在图2 - 5 ( b ) 中，c ；擘+ 掣生生 6 e o + 6 1 l ( 6 + 6 1 ) s o 式中：l , b 固定板长度和宽度； a 被测物进入两极板中的长度( 被测值) ； 6 ，o 被测物和固定极板间的间距及空气的介电常数； 6 1 ，t 被测物的厚度和它的介电常数。 在配5 ( c ) = 硼2 n e o h + 锗 式中：h 极筒高度； r l ，r 2 内极筒外半径和外极筒内半径； 占o 间隙内空气的介电常数； h x ，被测液面高度和它的介电常数。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 蓁 匿 菠 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 1 3 电容传感器的等效电路 电容传感器在大多数情况下，由于使用环境温度不很高、湿度不很大，若供电电 源率较合适，设计合理，则可用一个纯电容来代表。但当供电电源频率较低或在高温 高湿环境下使用时，传感器电极间的等效漏电阻就不能忽略，这时传感器可等效成图 2 - 6 所示电路。图2 - 6 ( a ) 中c 是传感器电容( 包括应尽量消除和减小的寄生电容) ； 船是电极间等效漏电阻，它包括电极绝缘支架的介质损耗和极间介质损耗。随着供 电电源频率增高，传感器容