（检测技术与自动化装置专业论文）比例测量原理的电容角位移传感器的研究及其应用.pdf

摘要 摘要 电容角位移传感器是一种将机械角度的变化转换为电容量变化并给出相应电信 号输出的测量装置，它具有非接触、高可靠性、灵敏度高、精度高和低功耗、结构 简单、适应恶劣环境等优点，这使得它成为最具有发展前途的传感器之一。但也存 在一些缺点，如由于电场边缘效应而引入输出特性的非线性以及寄生电容和分布电 容对灵敏度和测量精度的影响，与传感器连接的电路比较复杂等，影响到它的应用 的可靠性；尤其是电容传感器对温度敏感，当环境温度变化时，引起电容介质、面 积、距离等特性变化，从而导致测量不准，这些都影响了电容角位移传感的使用。 为了更好的设计电容角位移传感器，需要对以上问题采取一定的补偿和校正措施。 采用比例测量原理可以在理论上实现差动补偿，提高了温度特性，并且可以克 服机械安装所引起的误差，例如轴偏移、倾斜、电极倾斜等等。本课题采用8 瓣形 式的敏感元件结构，实现了1 8 0 度范围的测量；对测量对序进行了优化，使在不增 加硬件成本的基础上实时性得到提高。 此外，本谋题将m s p 4 3 0 单片机应用于角位移传感器中，由于4 3 0 单片机具有 集成度高，内置硬件乘法器和a d 模块，具有运算速度快，功耗低等优点，因此能 够快速地进行大量运算，简化了系统的硬件电路，提高了系统的可靠性和实时性。 传感器的精度也有所提高，不确定度在0 5 3 时，可以做到测量值与标准值相差1 度以内；温度从一l o o c 到+ 5 5 。c 变化时，角度偏移最大误差为0 ，1 3 6 0 o 1 0 。c ，优于 国外同类型传感器：t o 3 d 1 0 k 的水平。 为了使角位移传感器的使用更加方便，课题将串行输出，4 2 0 m a 等功能也集 成在传感器内，实现了与p c 通讯和电流远传等功能。 最后课题将角位移传感器应用于金属管浮子流量计，实验表明，效果良好，在 不同口径管道上实验，流量上限从2 5 m 3 h 到1 6 矗h ，浮子精度可以达鳓1 5 级。 关键词：角位移传感器比例测量原理测量时序浮子 a b s t r a c t c a p a c i t i v ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s o ri st h ei n s t r u m e n tt h a tc a l lc o n v e r tt h e c a p a c i t a n c ei n t ot h ee l e c t r i c a ls i g n a la c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a lr o t a t i n ga n g l e i ti s b e l i e r e da so n eo ft h em o s th o p e f u ls e n s o r si nf u t u r eb e c a u s eo fi t sn o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n t ，g o o dr e l i a b i l i t y , h i g hs e n s i t i v i t y , h i g l im e a s u r e m e n ta c c u r a c y , p o w e r s a v i n g ，c o m p a c ts t r u c t u r e a n dg o o da b i l i t i e so fr e s i s t i n gh a r s he n v i r o n m e n t a l c o i l d j t i o n s t h ec a p a c i t i v ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s o rh a st h ed i s a d v a n t a g e ss u c ha s t h en o n - l i n e a r i t yc a u s e db yt h ee l e c t r i c f i e l d - b e n d i n g p a r a s i t i cc a p a c i t a n c e w i r i n g c a p a c i t a n c e ，w h i c hi n f l u e n c et h ea c c u r a c ya n ds e n s i t i v i t yo f t h es e n s o r , e c t e s p e c i a l l v t h ec h a r a c t e ro f t h ec a p a c i t a n c ew i l lb ec h a n g e dw i t ht h et e m p e r a t u r ed r i r ，t h i sl i m i t s t h eu t i l i z a t i o no ft h ec a p a c i t i v es c n s o ls o m em e a s u r e sm u s tb et a k e nt oe l i m i n a t et h e e f f e c tc a u s e db ya b o v es h o r t c o m i n g s i tc a nb ec o m p e n s a t e db v 也er a t i o m e t r i c m e a s u r e l n e n tp r i n c i p l e s ot h er a n g eo fm e a s u r c m e n to ft h es e n s o ri se x p a n d e da n d t h ea t t o rc a u s e db yt h ea m b i e n tt e r n p e r a t u r ee r r o ri sr e d u c e d i ti m p r o v e st h e r a t i o m e t i r cm e a s u r e m e n tp r i n c i p l et h a tt h em e a s u r e m e n tr a n g ei su pt 01 8 0 。：i ta l s o o p t i m i z e st h et i m eo ft h em e a s u r e m e n tt h a tt h es e n s o rc a nr e s p o n s em u c hf a s t e r w i t h o u ta n yh r r d w a r ea d d e d b e s i d e s m s p 4 3 0m c ui sa p p l i e di nt h ep r o j e c tf u rm s p 4 3 0m c u sh i g h d e n s i t yo fi n t e g r a t i o n f o re x a m p l e th a sh a r d w a r em u l t i p l i e ra n da dm o d u l e s n 伦s e f u n c t i o n sw i l lp r o m o t et h es p e e do fc a l c u l a t i o na n dm a k et h ec i r c u i tm o r es i m p l ea n d l o w e rp o w c rc o s t a n dt h ea c c u r a c yo ft h es y s t e mi sh i g h e rt h a nb e f o r e t h ee r r o ri s b e l o wld e g r e ew i t ht h eu n c e r t a i n t yo f0 4 3 w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ec h a n g e s f r o m - 1 0 0 ct o5 5 0 c 。t h ed r i f to ft h em e a s u r e m e n ti s0 1 3 6 ，1 0 。c ，w h i c hi sb e t t e r t h a nt h ef o r e i g ns e n s o r s i - 0 3 ，1 0 kl e v e l i no r d e rt ou s et h es e n s o re a s i e r , t h ef u n c t i o no f4 2 0 m aa n dt h es e r i e s c o m m u n i c a t i o ni si n t e g r a t e di nt h ec i r c u i t t h u sr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nw i t l lp c a tl a s tt h es e n s o ri sa p p l i e di nm e t a lt u b ef l o a t e r i tc 眦c o n c l u d et h a tt h ee f f e c ti s b e t t e rt h a nb e f o r ef r o mal o to fe x p e r i m e n t s f r o md i f f e r e t a td i a m e t e ro ft h ep i p e ，t h e u pl i m i tv a r i e sf r o m2 5 f 一ht o1 6m ht h ea c c u r a c yo f t h em e t a lt u b ef l o a t e ri s1 5 k e y w o r d s ：c a p a c i t n ea n g u l a rd i s p l a c e m e n t s e n s o r , r a t i o m e t r i c m e a s u r e m e n t p r i n c i p l e ，m e a s u r e m e n tt i m e ，t h em e t a lt u b ef l o a t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外。论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：到金n 1 签字日期：动，口十年忙月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连盘望有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；j 拎n f 签字日期：蜥畔年f 工月f f = = i f 名：弓认饧 签字日期谚优碎年f 乙月移日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 角位移传感器研究现状 传感器是检测和控制系统的首要环节。随着技术的发展，系统的自动化程 度越来越高，对传感器的依赖性也越来越大，传感器的品质对系统起着决定性 的作用。因此，在国内外学者越来越重视各种类型传感器的研制与应用。传感 器技术已逐步发展成为一种专门的技术科学1 1 1 。 在众多传感器中，角位移传感器是重要的一种。角位移传感器用于测量固 定部件( 定子) 与转动部件( 转子) 之间的旋转角度。它广泛应用于工业、汽 车、航天、航海和军事等方面。这些特殊领域对角位移传感器提出了特殊的要 求。在本课题中，结合课题特点，主要考虑将它应用于工业流量测量领域中。 角位移传感器从澜量方式上分，它可以分为接触式和非接触式。 接触式的角位移传感器如电位计式角位移传感器、应变片式角位移传感器 等；非接触式的如电容式角位移传感器、圆形感应同步器等。非接触式传感器 的优点是不存在因机械接触而产生的磨损。非接触式角位移传感器的原理一般 是根据磁场、电场和光学原理确定转子的位置。 在目前成熟且常用的角位移传感器，主要有以下几种“1 ： 1 电阻式角位移传感器 电阻式角位移传感器的结构简单、成本低、适用的温度范围较宽、冗余特 性。其原理如图卜1 。 图1 - t 电阻式角位移传感器 该传感器缺点是由于有机械接触，因而产生机械磨损，不适合转动频繁的 测量场合；并且测量角度 o s oc 0 c o s 曼0 c ! 如 o f f s e t no “2 3h 2 nl ( 4 ) ( s + c ) ( s + c )( s + c m s + c )( s c ) ( s + c )( s c y ( s + c ) 根据表格中公式计算。可以消除角度在4 个象限变化时产生的符号变化问 题。因而在计算机上处理时，不用考虑负号，直接进行加减乘除运算即可1 2 1 1 1 4 1 。 在系统设计中，s , s , c ，c _ e p 是对分瓣电容上电荷的采样值。例如，根据 s ，s _ ，e c _ 计算当s 0 ，可知，当前角度在第一象限内。 则a = ai + aa = ( n 4 ) ( + s + c 坝- s 十c ) + 0 。 第= 章比倒式电容角位移传感器的原理研究和结构设计 从比例测量原理可以看出，为了得到一个当前角度，需要进行四次a d 采样 和计算，即p i p 4 都要进行a d 采样，每次采样要对4 个分瓣电容同时进行， 从而得到采样值s ，s j c ，屯。得到s ，已c ，c _ 后，再计算$ - - - - s s 一，c - - - - c - c 册，有了s ， c 才能按照比例测量原理的公式得到一个角度。 假定电荷放大增益误差为 ，系统偏移误差为。以图中第一个象限为例， 当p l 激励加在电容上时，s 2 完全被动片屏蔽，因此p l 节拍中产生的充放电荷 是正比与s 1 中没有被屏蔽的面积( f 2 + a ) ，下面的方程( 1 ) 一( 7 ) 表明，x 和对角度溯量没有影响。 s = a ( + ) + 孝 ( 1 ) 五( f + 一4 ) + 毒 ( 2 ) 口= 五( f + - j + ) + 善 ( 3 ) 卫= 五( 一a ) + # ( 4 ) s = f 一，a ( 一f + 2 a )( 5 ) c = c o 工( f + 乞哇)( 6 ) 铲兰等善：兰丝 s 王o ，g o( 7 )1 4 一s + c4f 、7 从方程组可以得出采用比例测量原理能消除多数机械误差( 如：轴偏移、 倾斜、电极倾斜) 及电气误差( 电压偏移、增益误差) ；只有敏感元件的线性度 影响测量精度；温度影响敏感元件结构尺度的变化可获得补偿。以上特点是比 例测量原理应用于电容角位移传感器上的独特优势。 2 1 2 比例测量原理时序的优化 在本课题中，遥过实验研究，选择静片为对称8 瓣，电气上分为4 个部分。 采用动片为对顶角为4 5 度的形式。测量时序为图2 - 6 。 d 采样点 d d d 轧厂r c 广 厂 厂 广 图2 - 6 比例测量原理的测量时序 第二章比例式电容角位穆传蓐嚣的原理研究和结构设计 在原测量时序中，a d 采样点在测量节拍的中间。实验表明，当a d 采样结束 后各个节拍仍然没有停止，仍旧保持在离电平，丽这段时间对a d 采样和计算是 没有用处的，这就造成了时间上的浪费，影响了实时性。 课题中通过实验，对这点进行了优化。在完成了足够次数的a d 采样后， 通过软件强迫各个节拍结束，而进行下一轮的采样和计算。这样，在单位时问 内，采样和计算的次数增加，更利于软件平滑滤波。 优化后的测量时序图如2 7 所示： s1 s2 s3 s4 a b c o p1 p2p3p 4p1 l ： l - l ll ： ： t ： i! l f ： _ j i i ； 一 rl 图2 7 优化后的时序图 图中t 一。是采样时间，s i $ 4 是原理论上比例测量原理的时序图，a d 是 优化后的时序图。从图中可以看到，t 。一旦结束，立即终止当前节拍。这样可 以节省一半的时间。 在本课题中，如果按照一秒钟内进行计算得到角度的要求，在原测量时序 下，只能以1 6 毫秒计算一次得到当前角度，优化后可以减少到4 毫秒以内。极 大的提高了实时性。 第二章比例式电容角位移传感暴的原理研究和结构设计 2 2 比例测量原理的理论误差分析 采用比例测量原理的优点是，具有良好的抑制共模能力，并且a d 采样的基 准电压和充放电电蘧不影响精度。 同时从原理上可以得到，在测量和计算过程中，从p l 到p 4 ，并不是同一 个时刻，但由于这段时间非常短，通常可以认为在2 ，3 个毫秒内就完成，所以 也就认为在这段时间内，在低速转动( 小于1 转，秒) 的情况下，极板几乎没有 转动。因而所计算得出得角度值，就是当前那一时刻的角度。 假设，极板转动速度为l n s ，则在一秒钟内，转动了3 6 0 度。则一个毫秒 内转动了0 3 6 度。在3 毫秒内，误差是0 3 6 3 = 1 0 8 度。由此可知，提高采 样速度和缩短节拍时间，可以减小计算误差，提高精度。 如果能够将p l o p 4 的时间缩短到l 毫秒内，在转动速度为i n s 的情况下， 理论上误差是3 6 0 1 0 0 0 = 0 3 6 度。因此对于误差要求在一度以内的测量，最高转 速可以提高到3 n s 。 在本课题中，由于只是测量极板转动后的位置，只是进行角位移的测量， 而不测量角速度，因此，可以将p i p 4 节拍的时间控制在4 毫秒内。这样可以 在选用低成本的硬件来实现传感嚣功能。通过实验数据分析，一秒中计算角度 一次，线性拟和后可以达到l 度的误差以内。 2 3 传感器敏感元件 比例式电容角位移传感器原理由g r a s s e u r 等人提出，是一种新的测量角度 的方法。这种方法采用两个同轴的圆形平行板电容，一个作为发射极板，在极 板上进行分瓣，一个作为接收极板。在两个平行板中间有一个动片。转动动片， 将使发射极板的分瓣对接收极板的电容产生变化。 通过对分瓣电容的测量，得到动片当前转动的角度值。b r a s s e u r 等人对该方 法展开了深入的研究，先后提出了动片接地，双轴测量，动片形状改变，以及 采用信号处理1 1 5 1 等方法，并且还给出了电容角位移传感器设计的一些规则1 1 6 1 。 在国内，这方面的工作见文献【1 3 】【2 6 】1 2 7 。该方法具有良好的抑制共 模舶特性，可以有效的抑制湿漂，具有差动运算的功能。当传感器处于变脏， 潮湿等恶劣条件下时，比例测量原理就显示出优越性来。 1 4 第二章比例武电容角位移传感器的琢理研究和结构设计 2 3 1 敏感元件结构 基于比例测量原理的电容角位移传感器的关键之一是敏感元件，包括发射 极板，接收极板和动片。该结构如图2 8 所示。 图2 8 敏感元件示意图 接收极扳 这3 个极板同轴且彼此严格平行，通过转轴，动片和转轴一起转动。转轴 装有两个滚动轴承，装配时，保证动极板在固定的极板中能灵活自由转动，相 对间隙应尽可能小。将发射极板分割成面积相等但彼此间电气隔离的8 个发射 极单元，每瓣近似为4 5 。其中相对的两瓣电气相连，因此发射极板a d8 瓣与接收极板构成4 组电容c a c d 。 在实际应用中，是不能把极板看作理想电容的，这是由于边缘效应的存在。 但最大限度减小两固定极板的厚度，可减小边缘效应的影响。在课题中，为 了构造金属板电容，采用印刷电路板覆铜箔做为两极板电极。 对于接收极板，其电极半径小于发射极板电极半径，使接收极板电极完全处 于发射极板的均匀磁场内，并且两固定极板内孔和外围都设有保护环，这样可 使边缘的散射场都由保护环接收，而减小对接收极板的影响，为得到最好测量 效果，外保护环的宽度约为两极扳间距的3 倍，同时保护环接地处理，可减小 外界的电磁干扰。 对于发射极板，相邻两片间隙尽可能小，以获得较大的电容量；接收极板 接收来自发射极板的感生电荷，实际设计过程中，发射与接收极板内部和外部 都有接地保护环，如图2 9 中2 、3 所示，两者的反面均为接地保护面，保护 环、保护面具有屏蔽电磁干扰的重要作用。 转动极板为4 个角度相同( 4 5 。) 间隔相同( 4 5 。) 的金属叶片组成。动极板叶 第二章比例式电容角位移传感罄的原理研究和结构设计 片转动的角度口决定了发射极板与接收极板之间电容值及相应感生电荷的太 小，即在一定激励脉冲信号模式的作用下发射极板和接收极板2 _ f 1 产生电容， 由动片所转动的角度口决定，当激励电压一定时，感生电荷也由口决定。 图2 9 静片极板 当激励作用下，动片转过角度0 时，四组电容值由平行板电容公式决定： c ：华：感2 i 4 5 。- 0 华：f ( 4 5 。一回( 2 - 3 ) 占84 s 。j 其中， c 一电容值 占，6 0 一介电常数 s 一平行板电容充电面积 5 一平行板间距离 注意，公式( 2 - 3 ) 是忽略边缘效应后的理想公式，从该公式有函数关系 c = 吖刚 ( 2 4 ) 本课题所使用的微小电容检测电路对电容变化量的最小敏感值在1 幻以上。 因此，为了得到较好的线性度，在设计中，应该增大发射极板分辨的面积，使 被测电容值增大。同时，此外在外圆尺寸已定的情况下，减少接地保护环的面 积也可以使被测电容面积增大。但减少保护环的面积可能导致抗干扰能力下降， 因此要将以上两个因素综合考虑。 实验结果是，发射极板的分瓣径向长度应大于1 0 m m ，接收极板的接收环宽 度也应大于1 0 m m 。 2 3 2 轴承的选择与安装 由于本课题是检测微小角度的变化，因此对极板安装有严格的要求，除了 三个极板严格的同心外，对使用的轴承也有要求。 1 6 第二章比例式电容角位移传感嚣的原理研兜和结构设计 对于机械安装上的精度，我们考虑了以下几个方面 1 、选用糟加工的轴 滚动轴承支撑的轴，其轴向及径向运转精度既与轴承零件的精度及弹性变 形有关。也与相邻部件的精度和弹性变形有关。在运转精度高的场合，轴承与 轴的配合应采用过盈配合。 2 、轴承游隙的选择 滚动体的直径偏差，从理论上讲，会引起轴承的跳动和轴的偏转。但实际 上优质轴承中几乎见不到这种干扰。这是由于滚动体的直径差特别小，同时接 触处的弹性形变又能补偿这种误差的缘故。 为了达到精确的同心引导，轴承内滚动体与滚道间应无游隙。但由于热变 形和制造等方面的原因，径向工作游隙霈限制在一定的数值范围内。工作游隙 越大，由轴承引起的轴的偏转越大。因此对于运动精度要求高的轴承应选用c 2 游隙值， 数量级在几个微米左右。通过查表可得，轴承的游隙在5 u m 左右是比较合适的。 3 、载荷与运转精度的关系 作用载荷越大，滚动体和滚道的变形越大，轴的偏转越大。在本课题中，轴 是由浮予上的磁钢，通过磁耦合使轴转动的。可以认为载荷很小。如图2 1 0 所 示。 厂 l 浮子管道和磁铜角位移传感器 图2 1 0 浮子与转角磁耦合示意图 第二章比例式电容角位穆传感器的原理研究和结构设计 从图中可以看到，浮子由于流量变化而在管道内的高度改变。浮子上的磁 钢通过磁耦合使摆杆转动，摆杆转动的角度和浮予的高度，即流量值是一一对 应的。 摆杆角度通过角位移传感器的敏感元件进行测量并由单片机输出。摆杆与敏感 元件的连接采用的是轴承连接方式。在本课题中，摆杆质量非常小，可以认为 在径向上，轴承受力很小，轴承运转精度不受其影响。 第三章比例式电容角位移传感器电路研究与信息处理 第三章比例式电容角位移传感器电路研究与信息处理 在上一章比例测量原理的基础上，本章从硬件和软件的角度上来说明电容 角位移传感器系统的设计。其中，硬件部分以电容检测电路为核心，增加了单 片机和4 - 2 0 m a 电流模拟输出部分。软件部分是在单片机上编程，按照比例测 量原理完成测量时序、a d 采样和p w m 输出，输出4 - 2 0 m a 等部分。 从主要功能上说，本课题的系统可以分为微小电容检测部分和比例原理的 计算部分。系统以单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9n 7 川8 川9 为核心，按照比例原理控制i o 产生测量时序，并进行a d 采样，计算得到当前角度值。 系统的框图如图3 - 1 所示。 圈3 - 1 系统原理框图 框图中，方波激励加在被测电容上，通过检测电路，得到被测电容的电压 值，单片机中的a d 单元对电压进行采样，然后交给单片机处理。单片机得到 所需的采样值后，根据比例测量原理计算得到当前的角度值。 如果有通讯请求，单片机将角度值通过串行通讯发送出去。 同时，单片机根据设定的角度的上，下限，与当前计算角度进行换算，产 生p w m 方波输出，将该p w m 方波接入4 - - 2 0 m a 单元，可以产生4 - 2 0 m a 输 出，进行信号远传。 系统的硬件原理图如图3 2 和图3 3 所示。 图3 - 2 主要是电容检测部分，包括方波激励和检测电路。图3 3 是单片机和 4 - 2 0 m a 部分，主要是由电压转换单元，单片机4 3 0 和a m 4 0 2 等部分组成。 系统中单片机和电容检测部分是不能机截然分开的，因为测量时序是由单 片机提供的，没有测量时序，就无法按要求准确的得到各个被测电容的值。并 9 苎三童些型苎生窒塑垒壁竺壁塑皇堕! ! 壅尘笪璺壁型 且没有单片机的控制，方波激励也无法正确的加到被测电容上。 以下对备个部分进行说明。 图3 2 电容检测部分 2 0 争 o 廿 _ l 壬 第三章比例式电容角位移传感器电路研究与信息处理 翟蹬蹬磐 图3 - 3 单片机部分 2 1 第三章比例式咆容角位移传感嚣电路研究与信息处理 3 1 基于充放电原理的微小电容检测电路 本节主要讨论了电容检测电路的研究， 器件的选择。并进行了相关的实验和仿真， 所采用电路的参数。 包括微小电容检测电路原理分析和 总结出几点规律，最后给出本论文 电容检测有诸多方法，d m g 2 给出一种测微小电容的方法，这种方法采 用高精度a d ，如2 4 位a d ，对电容上的电压值进行采集，这种方法的特点是 精度高，并且与电容上电压的初始值无关，适合测量电缆电容。 r o b e r t o l 2 等人使用了l o o k h z a c 电驱动平行板电容，交流电保持幅值不 变。通过使用一个缓冲级，可以确保电流源的输出阻抗很大，可以获得高的电 流源的输出阻抗。该方法的好处是由于输出阻抗大，可以驱动多个电容传感器。 在这种方法中需要使用高精度电流源和同步懈调技术，因此比较复杂。 k o u j im o c h i z u k i 啦等人又采用r e l a x a t i o n - o s c i l l a t o r 的方法来测量差动电容。 这种方法的原理是将电容变化转换成频率的形式来进行测量。但由于采用振荡 器的方法，振荡器的噪音也相应的进入到测量结果中，并且测量结果对震荡周 期的延时很敏感。 充放电原理的电容检测电路是目前电容测量中广泛采用的一种电路，其最大 的特点是电路具有抗寄生电容、杂散电容等分布电容特性，且简单实用。 s m h u a n g 设计的基于充放电原理的微小电容测量电路1 2 3 1 1 2 4 1p 由于具有高抗杂 散电容和分布电容的特点得到广泛应用。wqy a n g 旺5 1 等人采用又在此基础上 进一步改进，运放反馈的交流充放电原理，以消除在原充放电电路中c m o s 开 关引入的寄生电容。虽然这两种方法在最后计算时，公式基本一致。但采用交 流充放电的方法需要正弦激励，正弦激励价格昂，因此在本课题研究中没有使 用正弦交激励的方法。 本论文采用充放电原理的电路框图如图3 4 所示。振荡电路产生周期性的 方波，加载到被测电容c ；一端，测电容c 。另一端与公共端相连。经过周期性 的充放电，电容上累积一定的电压，通过对该电压的采集和处理，得到被测电 容的大小。 第三章比例式电容角位移传瘩器电路研究与信息处理 电容嚣 电路原理图如图3 5 所示。 圈3 4 充放电原理框图 图3 5 充放电原理图 v o 在该电路中，c 。为被测电容。被测电容一端与充放电电压相连，另一端浮 地。翟中c s l ，c s 2 电路中寄生电容的抽象模型，c p i c p 4 是电路中杂散电容的抽 象模型。在测量c 。时，开关k i 、k 2 、k 3 、按照一定的时序导通和断开。开 关导通时序如图3 - 6 第兰章比例式电容角位移传孵器电路研究与信息处理 图3 - 6 开关通断时序图 该电容检测电路工作原理如下： 开关k l 、k 2 、k 3 、磁可以由时钟脉冲控制。一个完整的充放电过程分为两 步：首先，k 与k ：通、与k 。断为充电状态，将被测电容c 。充电到v 。则电容 c 。充满电荷q ，= v 。c ，。在充电过程中，寄生电容c s l 和杂散电容cd 2 也被充电到 v 。，设c 产c s i + c p 2 ，则c s l ，c p 2 上的充电电荷为q f v 。c 。从图中可知此时，c s 2 、 c p l 、c p 3 两端都接地，因此没有充电电荷。 注意到，在控制时序图中，k 。与k ：导通时，k 比k 2 要先导通t 。这样做的 目的是。k l 先导通可以使杂散电容c 。l 两端都先接地。这样导通后，只对被 测电容充电，而不对杂散电容c 。i 充电，从而消除了c 。l 对被测电容的影响。 当充电过程完成后，k i 与& 断开，k ，与k 导通，进入放电状态。被测电容 c ，和寄生电容c s l ，杂散电容c 。2 将通过开关k t 对地放电，从图中可知，c s l ， c 口2 在放电过程中，哦直接由k 。泄放到地。因此q 。所产生的电流不经过c 。和运 放的反馈电阻和反馈电容r f c f 。而k 3 导通时，c p 3 一端接地，另一端通过运 放反相端虚短丽接地，其两端电压相同。因此没有电荷注入与流出。而电容 c 。上的电荷q 。泄放时，由于k 3 导通，将导致在运放的r f ，c f 上产生放电电流i ， 因此放电电流1 只由c 。上的充电电荷q 。决定大小。注意到，运放的r f ，c f 接入 反相端，运放的同相端是赢接接地的。由运敖虚短的特性，网相端上电位与反 相端电位相同，因此当放电电流i 从运放输出端经r f 流入反相端时，产生输出 电压v f = i c r ，可知，该v f 也是唯一由充电电荷如= v c c ，决定的。这样，就可以 寄生电容c s l ，c s 2 ，杂散电容c p l c p 4 的影响。 从时序图中看到如要先于虬导通和断开，这样的目的是要在电流i 产生之 第三章比例式电容角位移传感器电路研究与信息处理 前，先建立通路，这样扎导通后，放电过程中，才不会有电荷丢失。 由此可知，v f 与反馈电阻r 。披测电容c 。，充电电压v 。成正比。 当加入周期性的时钟脉冲控制k l 、k 2 、k 3 、时，形成对被测电容周期性 充放电。设时钟频率为f ，则在每个充放电周期都产生v f ，因此整个输出平均 电压v 0 0 c f o 由此得到 v 。= v 。r , c ，f ( 3 1 ) 3 2 系统硬件设计 3 2 1 微小电容检测电路 方波激励源原理图如下图3 7 所示： 图3 7 充放电方波激励电路图 图中晶振为6 4 0 k h z 。 c d 4 0 1 1 b c 为与非门，对晶振波形整形后，提供对电容充放电的方波激励 源。 采用4 0 1 1 与非门对晶振波形整形，有两个目的，一是使波形更加接近理想 方波。二是与非门可以提升驱动能力，能够更有效的驱动负载。使用与非门提 升驱动能力在高频下会产生信号延迟。本课题中晶振为1 m h z 以下，可以不考 虑延迟所带来的影响。 在本课题中，除了实现原电路的功能以外，还要考虑低功耗的问蹶。因此 第三章比例式i 乜容角位咎传癌嚣电路研究与信息处理 在本课题中，电源v c c = 3 3 v ，器件选择时，其功耗该是一个重要因素。电路 的实现如下图3 8 所示： a b c de h 图3 - 8 电容检测部分原理 此图中4 0 1 1 与非门实现反相作用，将方波激励源进行反相，作用在传输门 c d 4 0 6 6 的b ，c 两个开关上，使其与a ，b 两个开关反相。 m a x 3 9 4 是4 组单刀双置开关芯片实现开关切换功能。 c d 4 0 6 6 b f 为4 组双边开关芯片，实现传输门的功能。 运放采用的是t l v 2 2 5 2 。用于对被测电容电压信号进行放大。 图中a 、b 、c 、d 分别为角位移传感器的发射极板的4 瓣，h 为按收极板。 发射极板和接收极板共同构成平行板电容。也就是构成了c a c d 四个电容。本 课题对角度的测量就是通过测量这四个电容来实现的。角位移传感器的原理在 笫三章比例式电容角位移传感器电路研究q 信息处理 上一章已介绍过。 在硬件实现该电路时，元件选择考虑了以下几个因素： 1 开关k i 、k 2 、k 3 、轴的切换速度簧快。由于充放电的频率一般在5 0 0 k h z 以上，因此开关的导通和截止时间非常短。 1 开关k l 、k 2 、k 3 、硒导通电阻要小，在原电路图中，认为开关闭合后导通 电阻为零。事实上在采用m o s 器件时，导通电阻虽然很小，但还不能完全 等效于0 。 2 充放电电源应该为方波。方波特性越好，实验效果越接近理论推导。 3 整机的功耗要低。 3 2 2 检测电路元件选型和实验 下面对元件进行说明： m a x 3 9 4 ：它可以双电源或单电源供电，工作电压范围从2 7 v + s v 。具 有低导通电阻和切断迅速等特点。导通电阻r o n = 1 7q ，通断时间典型值t u r n - o f f t i m e s d , 于7 5 n s ，t u m - o n t i m e s 小于1 3 0 n s 。 c d 4 0 6 6 b f ：单端供电时，工作电压可以达n 1 5 v ，双端供电时，工作电压 的范围是士7 5 v 。工作电压为5 v 时，其导通电阻r o n o 。由前面分析， v “，f ，r ，一定，测量v 。，通过公式( 2 - 1 ) 就可得到被测电容c 的大小。 根据以上原理和元件选型，做实验如下： 表3 - 1 电容检测电路实验( v c = 3 6 v ，r ，= 1 0 0 k ，f = 1 m h z ) c x ( p )v o ( v ) 62 1 50 _ 3 7 5 1 7 8o - 3 7 41 4 10 3 6 31 0 5o 3 6 20 6 90 3 5 lo 3 4 o ，2 1 0 50 1 30 0 9 6 0 2 50 0 3 4 从实验数据中可以看出，该电路在对l p f 以上的电容检测时，抗杂散性很 好，输出几乎是线性，每两点之间= o 3 5 v 和0 3 7 v 之间。当被测电容小于 l p f 时，该电路可以进行检测，但从实验上看，此时电容的焊接位置以及焊接形 状都对测量产生了影响，例如电容引脚的形状变化时，输出v 。也会相应发生变 化。 在实验中发现，尽管4 0 0 0 系列的芯片管脚和输入输出电平相互兼容，但在 应用中许多特性并不相同。c d 4 0 1 1 b m 和c d 4 0 1 1 b c 的t p l h ，t p r t l 不相同，产 生的方波激励占空比也不相同。因此在对被溯电容充放电过程中，产生的电压 也就不同。在应用中，应尽量选择t p l h ，t p h l 比较小的器件，这样可以产生更 高的充电电压。 事实上，该电路检测的是电容的变化量，而不是绝对量。即当被测电容的 第三章比例武电容角位移传感器电路研究与信息处理 变化值在l p f 以上时，可以进行良好的检测。而小于l p f 时，电路对电容变化敏 感，但线性度降低。 在本课题研究中，角位移传感器的被测电容的变化在1 p f - 5 p f 之悯变化，因 此可以很好的满足要求。 此外，在制版时发现，电路板覆镧与不覆铜，被测电容的背景电容是有很 大差别的。覆铜后的电路板虽然对干扰有一定的抑制作用，但叠加在被测电容 上的背景电容高达几百p f 。而不覆铜的电路板，背景电容在几个p f 的数量级上。 虽然该电路具有良好的抗杂散和寄生电容的能力，但相比之下，背景电容 越小，寄生电容的影响也就应该越小。 3 2 3 检测电路与单片机的接口 测量电路与单片机接口分为两步分，一是测量时序部分的接口。二是a d 采 样接口。 1 单片机与电容捡测电路时序部分的接口 如图3 9 和3 1 0 所示。 4 3 0 的i o 口p 1 o p 1 4 产生测量时序，该时序加在m a x 3 9 4 上。按照比 例测量原理来选通被测电容c c 。 s 1 ，s 2 ，s 3 ，s 4 是m a x 3 9 4 端口与单片机4 3 0 i o 口的接口标号。4 3 0 单 片机的p 1 0 p 1 4 分别为s l ，s 2 ，s 3 ，s 4 ，分别在图3 - 9 和3 - 1 0 中。 测量时序如图2 7 所示。如前所述，在本课题研究中，发现完整的按照该 控制时序。是很浪费资源的。测量时序的一个关键点是保证对被测电容选通后， a d 采样时，电容上的电压已进入稳态。因此a d 采样后，不需要再选通该被测 电容时，应及时的切换到其他电容上，这样可以提高计算效率。 第三章比例式电容角位穆传芯嚣电路研究与信息处理 图3 9 测量电路时序部分与单片机接口 第三章比例式电容角位移传感器电路研究与信息处理 图3 1 0 测量电路时序部分与单片机单元接口 2 a d 采样单元 4 3 0 单片机自带1 2 位a d ，因此可以极大的节省硬件资源，简化电路，提高 可靠性。其主要指标如下： 精度1 2 位； 采样率最高可达2 0 0 k s p s ； 可以采用片内2 5 v 基准电压，也可以采用片外基准电压。 在使用单片机自带的a d 时，课题考虑了以下几点，以提高精度： ( 1 ) 电源系统单独设计 在课题中，由于同时使用了数字和模拟两种器件，因此，在供电和铺地上， 采用了分别设计。数字地d v s s 和模拟地a v s s 两者分别走线，最后通过 磁珠点相连。磁珠本质是电感，因此它保证了两个地平面电位相同，同时 又防止了数字地中的干扰信号窜如模拟地中，影晌模拟器件的精度。 对于电源也是如此处理。数字系统和模拟系统的电源和地分别布线，是 e m c 准则之一。 在课题中发现，对于地线进行不同的处理，对地电位会造成o 3 v 左右的影 响，甚至能达到o 5 v ，这对a d 是极为不利的。课题中的处理参照t i 公 第三章比例式电容角位移传感器电路研究与信息处理 司和e m c 布线规则处理的。 ( 2 ) 信号线的分别设计 同上述过程类似，对于模拟信号和数字信号的布线也是分成两块。尤其注 意了将晶振，方波激励和测量时序等强信号远离放大部分和a d 采样部分。 ( 3 ) 滤波 根据参考文献1 2 5 1 研究，电穗检测电路充放电过程中，存在三角波振荡， 其峰值c ，r ，振荡频率为充放电频率。为减小三角波对后面a d 采样信号的影响，在电荀检测电路输出端和a d 采样之前，加一个低通滤 波电路。滤波电路如图3 1 1 。 3 2 4 模拟信号输出 滤波电路 图3 1 2 是单片机与a m 4 0 2 产生4 2 0 毫安的原理图。a m 4 0 2 是电压，电流 转换接口电路。它将模拟电压转换成电流，由一个可用于将一端接地的输入信 号( 0 - 0 8 v ) 放大的运放和一个可调的高度稳定的5 1 0 v 参考电压源以及一个 电流输出组成。该芯片其指标大致如下： 工作电压：6 3 5 v ； 工作温度：- - 4 0 度8 5 度： 可以二线制或三线制输出； 具有内置极性保护，输出电流限制保护措施。 工作时，4 3 0 单片机根据被预先设定一个角度的上下限。当前角度计算后， 根据上下限从t b l 口输出一个p w m 方波。然后将该方波接入一个低通滤波器， 得到一个o 0 7 v 的直流电平。将该直流电平作为a m 4 0 2 的输入电压，可以得 到一个4 2 0 毫安的电流信号。 在本课题中，低通滤波器采用的是r c 二阶无源滤波器。信号接入a m 4 0 2 第三章比例式电容角位移传感器电路研究弓信息处理 后，调节上下限电位器，可以确定4 毫安和2 0 毫安所对应的角度值。 图3 1 24 2 0 毫安原理图 3 2 5 数字信号输出 通过测薰和计算出当前角度值后，为了对角度进行远传，本课题除了采用 4 - 2 0 毫安电流远传方式外，还采用了串行通讯的方式。 采用串行通讯，可以将角度值已数字量的形式远传给其他设备，这样的好 处是传输更加准确。通讯部分如图3 一1 3 所示。 第三章比例式电容角位移传藤器电路研究与信息处理 图3 1 3 串行通讯接口 图中r x d ，t x d ，s s 分别是接收，发送和硬件握手线。 采用串行通讯主要有两个目的： 1 进行标定 当计算角度值后，传感器是需要标定的。标定装置由牛双云2 7 完成， 标定装置用5 l 单片机控制高精度步进电机，带动角位移传感器同步转 动，弼时采用光栅传感器进行标准角度输出。计算机同时采集光栅标准 角度和电容角位移传感器当前计算角度值，然后进行标定，给出误差分 析。 计算机和电容角位移传感器的通讯采用的就是串行通讯方式