（模式识别与智能系统专业论文）齿盘差动电容电子水平仪的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 搁要 本文通过对水平度传感器的系统分析以及对电容式传感器原理和小电 容检测原理的研究，结合对后续信号处理系统的设计，给出了一套新型高分 辨率数字电子水平仪的设计方案。 论文介绍了电子水平仪前端传感器的设计，后端电路设计以及相关的理 论分析等。论文对各类水平度传感器的优缺点进行详细的分析，设计了齿盘 差动电容电子水平仪传感器；以及配套的小电容检测电路，加入了提高测量 精度的滤波措施。论文详细说明了电路设计的方法及原理、电路实现的功能 以及电路的抗干扰措施等；在软件设计部分，介绍了各个模块的工作流程以 及实现的功能。 关键词：水平仪，传感器，锯齿圆盘，小电容检测 a b s t r a c t n e d e s i g nm e t h o do ft h en e wh i g hd i s t i n g u i s h e sd i g i t a le l e c t r o n i c sl e v e lm e t e r i sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r ，b ys t u d y i n gt r a n s d u c e r ， r e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l eo f c a p a c i t i v et r a n s d u c e ra n dd e t e c t i n gs m a l lc a p a c i t a n c e ， a n dd e s i g n i n gt h es i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m t l 圮c o n t e n t so fp a p e rc o n t a i n st h ed e s i g no ft h et r a n s d u c e ra n db a c k e n dc i r c u i t o f t h ee l e c t r o n i c sl e v e lm e t e r i nt h ep a r to f t h et r a n s d u c e rd e s i g n ，t h em e r i ta n dd e f e c t o fa l lk i n d so fl e v e lt r a n s d u c e ra r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt h ep r o j e c to ft h ec a p a c i t i v e e l e c t r o n i c sl e v e lm e t e rb a s e do ns a w t o o t h d i s ci sf i n i s h e d a n dt h ea u t o c o n t r o lo f s m a l lc a p a c i t a n c ed e t e c th a sb e e nr e a l i z e d ，a l s o ，t h ef i l t e rm e a s u r e w h i c hc a ni m p r o v e p r e c i s i o ni sa d o p t e d i nt h ep a r to ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h em e t h o da n d p r i n c i p l eo ft h ec i r c u i td e s i g n ，t h ef u n c t i o na n dt h ea n t i - j a m m i n go ft h ec i r c u i ta r e d e s c r i b e di nd e t a i l i nt h ep a r to ft h es o f t w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h ew h o l ew o r k i n g p r o c e s sa n di m p l e m e n to fe v e r ym o d u l ei sd e s c r i b e di nd e t a i l t o n gj u n ( p a t t e mr e c o g n i t i o n & i n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f iy a n gg u o t i a n k e y w o r d s ：l e v e l - m e t e r ，t r a n s d u c e r ，s a w t o o t h - d i s c ，d e t e c to fs m a l lc a p a c i t a n c e 华北电力大学硕士学位论文 搁要 本文通过对水平度传感器的系统分析以及对电容式传感器原理和小电 容检测原理的研究，结合对后续信号处理系统的设计，给出了一套新型高分 辨率数字电子水平仪的设计方案。 论文介绍了电子水平仪前端传感器的设计，后端电路设计以及相关的理 论分析等。论文对各类水平度传感器的优缺点进行详细的分析，设计了齿盘 差动电容电子水平仪传感器；以及配套的小电容检测电路，加入了提高测量 精度的滤波措施。论文详细说明了电路设计的方法及原理、电路实现的功能 以及电路的抗干扰措施等；在软件设计部分，介绍了各个模块的工作流程以 及实现的功能。 关键词：水平仪，传感器，锯齿圆盘，小电容检测 a b s t r a c t n e d e s i g nm e t h o do ft h en e wh i g hd i s t i n g u i s h e sd i g i t a le l e c t r o n i c sl e v e lm e t e r i sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r ，b ys t u d y i n gt r a n s d u c e r ， r e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l eo f c a p a c i t i v et r a n s d u c e ra n dd e t e c t i n gs m a l lc a p a c i t a n c e ， a n dd e s i g n i n gt h es i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m t l 圮c o n t e n t so fp a p e rc o n t a i n st h ed e s i g no ft h et r a n s d u c e ra n db a c k e n dc i r c u i t o f t h ee l e c t r o n i c sl e v e lm e t e r i nt h ep a r to f t h et r a n s d u c e rd e s i g n ，t h em e r i ta n dd e f e c t o fa l lk i n d so fl e v e lt r a n s d u c e ra r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt h ep r o j e c to ft h ec a p a c i t i v e e l e c t r o n i c sl e v e lm e t e rb a s e do ns a w t o o t h d i s ci sf i n i s h e d a n dt h ea u t o c o n t r o lo f s m a l lc a p a c i t a n c ed e t e c th a sb e e nr e a l i z e d ，a l s o ，t h ef i l t e rm e a s u r e w h i c hc a ni m p r o v e p r e c i s i o ni sa d o p t e d i nt h ep a r to ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h em e t h o da n d p r i n c i p l eo ft h ec i r c u i td e s i g n ，t h ef u n c t i o na n dt h ea n t i - j a m m i n go ft h ec i r c u i ta r e d e s c r i b e di nd e t a i l i nt h ep a r to ft h es o f t w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h ew h o l ew o r k i n g p r o c e s sa n di m p l e m e n to fe v e r ym o d u l ei sd e s c r i b e di nd e t a i l t o n gj u n ( p a t t e mr e c o g n i t i o n & i n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f iy a n gg u o t i a n k e y w o r d s ：l e v e l - m e t e r ，t r a n s d u c e r ，s a w t o o t h - d i s c ，d e t e c to fs m a l lc a p a c i t a n c e 华北电力大学 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文齿盘差动电容电子水平仪的研 制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其 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。 学位论文储躲耜一日期：游矗j 7 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：锕 日飙泓7 7 导师签名： 日期： 彻习勿 历砌、孑j7 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 在水平仪的发展早期，人们都使用传统的水平仪，并没有引进电子部分，主要 包括气泡水平仪和激光水平仪，他们具有共同的缺点：被测平面水平与否靠眼睛观 测，具有模糊性，这样容易产生测量者的读数误差，这些方法只能指示与水平仪基 准面相贴合的平面与地球水平面的夹角是否为零，而不能测量具体的倾角值。 随着信息处理技术取得的进展，人们开始专注于电子水平仪的开发，通过后端 的处理电路，使水平仪数字化，能够实现数字显示，且提高了分辨率。 1 1 电子水平仪传感器的发展 电子水平仪是一种测量小角度的量具，可用来测量物体表面是否水平，因此， 可应用于测量两部件的相互平行度和垂直度、工作台平面度。 传感器是电子水平仪的核心部件，电子水平仪通过传感器探测被测表面与平面 间的倾角，后继电路的设计便是处理传感器传送过来的信号，以此来计算实测表面 的水平度。电子水平仪的分辨率和灵敏度等指标在很大程度上取决于传感器，所以 设计合理的传感器对电子水平仪有着非常重要的意义。 1 1 1 电子水平仪传感器的研究历史 目前，国内外学者对电子水平仪传感器作了大量的研究，其类型主要分为：差动电 容式传感器、光电原理传感器、隧道式超微角位移传感器等。 1 1 1 1 差动电容式传感器 差动电容式传感器在机械结构、检测电路方面的设计也各有千秋。下面将依次阐述 三个具有代表性的传感器。 一、竖直悬挂电极型传感器1 2 1 此传感器来源于青岛科技大学硕士研究生张玉华的论文，其结构图如图1 1 所示。固定 极板与水平仪底座和测量平面固定在一起，动极板由悬丝悬挂，当被测平面有一定倾角时， 由于动极板在重力作用下始终保持竖直状态，因此与一固定极板的极距减小，而与另一极板 的极距增大，形成差动输出，由于所测倾角变化极小，可认为动极板与固定极板始终平行。 华北电力大学硕士学位论文 动 定极扳 图1 1 差动电容式传感器结构简图 传感器电容的变化量仅有几个或几十个皮法，环境干扰、温度等引起的寄生电容比传感 电容大得多。作者设计了一种高分辨率的信号调理电路。其电路方框图如图1 2 所示。 图1 2 小电容检测电路方框图 采用差动电容式倾角传感器与温度特性好的精密纯电阻构成阻容电桥，使用精密波形发 生器件i c l 8 0 3 8 作为交流电桥的激励源，电桥不平衡电压经运算放大器t l c 2 7 m 2 放大后由 l f 3 9 8 进行采样，同时使用另一片l f 3 9 8 对激励源输出电压进行采样，以消除激励源电压 波动的影响。两路采样信号经a d 7 7 0 6 转换后送入微处理器8 9 c 5 2 进行处理输出。由于温度 对电容式传感器电介质及电路元器件的影响几乎与信号具有相同的数量级，采用线性温度传 感器r e f 0 2 作为测温元件对仪器进行温度补偿。 此水平仪的灵敏度达到0 0 0 1 m m m ，但是这种结构如果在出现无意的大的摆动的情 况下，两极板可能接触导致发生短路，从而使电路不稳定。 二、圆柱形可变电容传感器i d i 此传感器来源于湛江师范学院测试中心孙国敏的论文。圆柱形可变电容传感器被固定在 一标准的水平面上，传感器由两个金属圆筒构成，小圆筒固定在大圆筒内并密封。大圆筒和 小圆筒之间充有整个容量一半左右的流体介质。电介质成粘滞性液体，在小圆筒内壁和大圆 筒外壁各引出一根导线，当它水平时有一电容值c o ，当平板发生一偏转角度。后，该圆柱 电容值的变化与偏转角度的正切成线性关系，每个倾斜角度对应个电容值，于是可用电 容的变化来反映被测物体的倾斜角度。 但由于传感器灵敏度不高，还有待于进步改进。 三、电平衡式差动电容传感器0 4 1 此传感器来源于南通大学电气工程学院沈申生的论文。电平衡式差动电容测微仪的 2 华北电力大学硕士学位论文 硬件结构见图1 3 。可分为测微头和测量电路两部分。测微头呈圆筒状，由基准电容c 2 和电容c s l 、c s 2 构建的差动电容组合而成。差动电容的定极板是测量极板和中心极 板，c 2 由参考极板和中心极板组成，电容量恒定。差动电容的测量极板间插入动极板， 动极板接地，具有静电屏蔽的功能。u 1 和- u l 是互为反相且同频同幅的方波恒压源。 u 2 为c 2 的激励电源，亦为方波，频率与u 1 相同，但u 2 的幅值跟随测杆的位移 而变化。 图1 3 电平衡式差动电容测微仪硬件结构 电路采用反相运算放大器，见图1 4 。由于电容式传感器的输出电容一般为几p f 至 数十p f ，容抗很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因视在功率小，容易遭受噪声的 共模干扰。所以，测量电路采用精密单电源组合方式，以集成运放a d 6 2 3 作为输入， a d 8 2 2 j f e t 输入双满电源，运放o p l l 3 用作输出级。 e q 毽 图1 4 电荷放大器基本原理 工作原理：根据电磁学静电屏蔽的原理，放置于导体空腔内的物体将不受外电场的 影响。图1 3 中差动电容的圆筒形动极板置于某一位置时，由于其屏蔽作用，中心极板 与动极板覆盖的部分不受外电场的作用，无感应电荷。而中心极板与测量极板覆盖的部 分在激励电压u 1 的作用下产生感应电荷。测量原理如图1 5 所示，这是一个闭环电荷 平衡式测量系统，反馈机构是基准电容c 2 。 图1 5 电平衡式差动电容测微仪原理图 此传感器利用反馈控制技术与差动电容相结合构建闭环电平衡式传感器。增加了反 馈环节，构筑了闭环的反馈测量系统。由于初始电容量小，电子线路的引线电容和其 3 华北电力大学硕士学位论文 他器件的寄生电容较大，降低了测量系统的灵敏度和精度，有待于进一步改进。 1 1 1 ，2 光电原理传感器 光电原理电子水平仪使用c c d 获得信号，可输出串行数字信号，不需要经过a d 转换。水平仪探头由带c c d 的普通探头、配套驱动板和整形电路三部分构成，最终输 出为串行数字信号，扩展应用十分方便。探头结构如图1 6 所示。 图1 6 c c d 探头结构 探头放在一个暗盒内，采用普通水平仪的探头，内灌黑色油状液体，项部有一气泡， 气泡长度为2 5 m m 3 m m 之间。探头一边为毛玻璃和一组灯泡，可模拟出近似的平行光 源，另一边为有2 1 6 0 个象元的h m l l 2 1 3 型线阵c c d 。检测水平度时，让灯泡发光， 有气泡处的c c d 象元接收到光信号，输出为数字信号l ( 整形后) ，无气泡处光信号被 溶液吸收，输出为数字信号0 ，最后通过气泡位置得到水平度。 此传感器的优点在于不需要a d 转换就能得到数字信号，减小了反应时间，反应时 间小于1 0 m s 。但此原理实现的样机，探头长为2 8 7 m m ，圆柱面半径为2 m ，量程为 2 5 分，分辨率为1 1 秒；此样机体积太庞大，不方便测量，且分辨率太低，有待于进一 步改进。 1 1 1 3 隧道式超微角位移传感器 一、隧道效应的概念i ，j 在两层金属导体之间夹一薄的绝缘层，就构成了一个电子的隧道结。实验发现， 电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。距离越小，电流 越大；反之，距离越大，电流越小。 对于经典物理学来说，当一粒子的动能砥于前方势垒的高度时，它不可能 越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在 一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势 垒( 如图1 7 ) ，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动性而引起的，只有在 4 华北电力大学硕士学位论文 一定的条件下，这种效应才会显著，经计算，透射系数 丁舻1 6 e ( v o - e ) e - 警厕厕( 1 1 ) 搿 由式中可见，鸡势垒宽度a 、能量差( z o 一历以及粒子的质量旃着很敏感的依 赖关系，随着势垒厚( 宽) 度a 的增加，粥指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很 难观察到粒子隧穿势垒的现象。 e v 一 图1 7 量子力学中的隧道效应 此隧道效应已经应用在扫描显微镜碍】上，同理，我们可以用来测量很微小的线 位移，且将微线位移转换成微角位移，从而可设计成隧道式超微角位移传感器。 二、隧道式超微角位移传感器的基本原理 隧道式超微角位移传感器【| 刀的简化原理图如图1 8 所示。由于角度变化而引起的 线位移变化的一端连接到金薄膜电极，另一端连接到金隧道探针尖，这个针尖也具 有极性，它们作为两个电极，当针尖与薄膜电极距离非常接近时( 通常小于l n m ) ， 在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一极，从而形成电流。 因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到产生的线位移。再用隧道式线位移传感 器测量旋转体周边的微线位移，换算成微角位移。隧道电压为1 0 - - l o o m y ( 最佳选 择值3 0 - - - l o o m y ) ，隧道电流为0 0 5 , - - , l o m b , ( 0 1 i m a ) ，角位移与线位移的关系式为 p ( 一) ：0 0 2 0 6 2 8x ( ，n m ，) ( 1 2 ) 一 ，【删j 等式右端的常数是单位换算求得的。当隧道线位移传感器离旋转体转轴中心的 距离为l c m 时，隧道线位移传感器测出1 n m ，便测得转动部件转角为0 0 2 一。隧道 线位移传感器的分辨力为0 1 n m ，则这种微角位移传感器的分辨力为0 0 0 2 ”。若 隧道传感器离旋转轴中心距离大于l c m 时，则分辨力更高。 5 华北电力大学硕士学位论文 图1 8 隧道式超微角位移传感器简化原理图 1 、被测旋转体；2 、隧道超微角位移传感器的金薄膜电极； 3 、金隧道探针尖；4 、信号处理( 隧道电流放大器积分器与电源等) 我们可以考虑将隧道式超微角位移传感器应用在电子水平仪上。这样，电子水 平仪的分辨力将在目前世界水平上提高至少一个数量级，这将很有意义。 但是，我们可以来分析一下透射系数的构成，其公式如式( 1 1 ) 所示其中， a 是势垒宽度，由透射系数的关系式，可以得知：a 越小、透射系数越大，即穿过 绝缘层的电子越多，电流越大；a 越大、透射系数越小，即穿过绝缘层的电子越少， 电流越小；当a 大到一定范围的时候，z 将等于零，也就是说，不会产生电流，从 而无法测量，所以量程受到了限制。通常情况下，针尖与另一电极之间的距离小于 l n m 时，电子才会穿过势垒，因此能测量的最大线位移就是l n m ，则根据公式( 1 2 ) ， 得到秒等于0 0 2 0 6 2 8 。这样，检测范围大大缩小，在量程上无法满足条件，有待 于进一步改进。 1 1 2 国内外电子水平仪研制生产现状 一、国内电子水平仪研制生产现状 国内有较多公司致力于电子水平仪的研究，但总体技术指标与国外相比有一定 距离，据目前的资料显示，国内电子水平仪的分辨率最高能达到o 0 0 1 m m m ，即0 2 秒。 目前国内研制生产的电子水平仪主要有： l 、重庆天箭传感器公司s p 系列电子水平仪 重庆天箭传感器公司生产的s p 系列电子水平仪体积小，用于测量产品安装平 面相对水平面的倾斜角度，应用加速度计作为传感元件，通过内部运算单元实时输 出倾斜角度值。s p 系列的主要应用领域为：惯性导航、雷达天线、平台控制、水平 基准、伺服控制。此系列包括六个型号，其中，型号s p 一0 l 的分辨率达到0 0 1 m r r d m ， 即2 秒。此指标与国际发展水平相比，是比较落后的。 2 、沧州市三丰标准量具有限公司s d s 系列电子水平仪 6 华北电力大学硕士学位论文 沧州市三丰标准量具有限公司生产的s d s 系列的数显电子水平仪采用高灵敏 度的三电极空心电容器作为敏感元件，由文氏桥振荡器和倒相器作为电容传感器的 激励电源，由偏摆角度反映电子水平仪的倾斜角度大小的传感器输出信号，经过放 大器放大，再经检波相处理和滤波后，由数字式电压表显示出来，测量范围小于等 于5 0 0 个数。s d s 系列包括五个型号，其中，型号s d s l l 的分辨率达到o 0 0 1 m m m ， 即o 2 秒，此指标在国内属于领先水平。 二、国外电子水平仪研制生产现状 国外许多国家很早就开始了电子水平仪的研制，在总体性能上领先于国内电子 水平仪。他们在分辨率上最高可达0 0 0 0 5 m m m ，即0 1 秒。 目前国外研制生产的电子水平仪主要有： 1 、瑞士w y l e r 电子水平仪 m i n l e v e ln t 特别适合于精密测量微小倾斜角度，采用陶瓷材质传感器元件， 确保仪器在恶劣的环境下使用。它实现了l c d 大液晶显示，灵敏度达到o 2 秒，显 示范围为2 m m m 。 2 、美国自动精密工程公司( a p i 公司) a p i 电子水平仪是双轴实时测量的高精度水平仪，是为坐标测量机和数控加工 中心的评定而设计的，它可用于三坐标测量机以及加工机床的安装和性能评定。由 于采用了双轴系统，可快速测量水平运动工作台的倾斜角，翻转角及水平轴与垂直 轴的垂直度。双轴水平仪使实际测量时间比传统方式减少了5 0 以上。由于采用了 先进的“液体电子”传感技术，水平仪在测量过程中具有很高的精度和一致性。分 辨率达0 1 秒，测量范围为8 0 0 秒( 5 8 m m m ) 。 由以上国内和国外电子水平仪的特点和性能数据可以看出，国内传统的电子水 平仪的精度和稳定性都大大落后于国外电子水平仪的技术水平。所以国内急需研制新型 的智能电子水平仪以满足日后日益增长的需求。 1 2 本课题的主要研究内容 1 、分析比较各种水平度误差传感器的结构原理，寻求高分辨率的传感器结构方案。 2 、依据所选定的方案进行结构设计并制作样机。 3 、设计相应的后续电路，进行测量实验。 4 、在传感器和信号处理电路确定后，完成整个实验系统的软件硬件设计 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章齿盘电容电子水平仪的传感器设计 经过对各种电子水平仪传感器的综合分析研究，我们决定采用差动电容式传感器， 但电容式传感器普遍存在的问题是电容量与变化量之间的矛盾，即电容量太小，则设计 制造困难，电容量太大，则变化量所占比例又太小，由此我们经过反复实验和分析，提 出了齿盘电容式传感器的构想，这种结构相当于多个小电容并联，当然变化量也“并联 ， 结果可以兼顾电容量和变化量。本章主要介绍电子水平仪的前端传感器设计，电子水 平仪的后端设计在后续章节介绍。 2 1 差动电容式传感器可行性分析 回顾第一章的内容，目前电子水平仪的传感器的研究大致分为差动电容式传感 器、光电原理传感器和隧道式传感器。经分析，均有各自的优缺点。光电原理传感 器的分辨率太低，且最终的体积太大，不便于使用。隧道式传感器虽然分辨率极高， 但是由于产生隧道效应的条件限制，致使量程很小，只能达到0 0 2 秒，即1 0 4 m m m ； 且隧道结的工艺复杂，成本太高。这两种传感器的缺点都不易克服。差动电容式传 感器应用比较普遍，虽然存在反应不够灵敏、容易短路等现象，但均可以通过改造 测量结构和后期电路，克服这些缺点。 综合考虑分辨率、量程、成本以及工艺要求等因素，差动电容式传感器的参数 具有更大的提升空间。究其本身，电容式传感器有以下优点： 1 、测量范围大。其相对变化率可超过1 0 0 。 2 、灵敏度高。如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达1 0 - 7 数量级。 3 、动态响应快。因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量， 也可静态测量。 4 、稳定性好。由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如 空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强幅射下长期工作， 尤其是解决高温高压环境下的检测难题。 5 、价格低廉，可以大大降低仪器的研制生产成本。 因此，进一步研究差动电容式传感器具有可行性。 2 2 差动电容式传感器输出电容值的范围估计 将电容式传感器做成差动形式，两边为固定电极，中间为动电极。先假设三个 8 华北电力大学硕士学位论文 极板都是一片圆弧瓣结构。 初始状态时，两电容相等，当动极板逆时针移动角位移a o 时，a 极板与动极板 遮盖面积增大，b 极板与动极板的遮盖面积减小。为了提高分辨率，使用介电常数较大 的介质，如二氧化钡，忽略极板边缘效应影响，动极板与两极板之间的电容变为 q = 等+ 字= 万，2 。譬，2 a 0s ，2 ( 万+ 2 n a 8 ) 一- f 一= 一 4 n d2 d4 n d ( 2 1 ) c。：一esb一坐：exr2 e r 2 a 8 ：6 r 2 ( x - 2 n a 0 ) ( 2 2 ) 【一- = 一一= = 一 lz z j 5 dd4 n d2 d4 n d 其中，血为两极板覆盖面积的变化量( m 2 ) ，a o 为角度的变化量，d 为两极板间的距 离( m ) ，为极板间介质的介电常数( f m j ) ，= f ，氏= 8 8 5 x 1 0 1 2x1 0 6 ，本文中涉及的 均为此值。 针对公式( 2 3 ) ，对所测电容值进行范围估计。由期望最小分辨率0 0 0 1 m m m 得乡为五击。，即百7 r 1 0 - 6 ；二氧化钡的相对介电常数为1 0 6 ，真空的介电常数为 8 8 5 1 0 1 2 取半径，为0 0 0 8 m ，取极板间距为0 0 0 0 1 m ，取n 为6 。将以上数据代入 式( 2 1 ) 得电容值为1 3 2 3 2 7 p f ，此电容值目前还可以设计适当的电路实现有效检 测。 2 3 齿盘差动电容传感器的设计 2 3 1 齿盘差动电容传感器结构 以上是单个弧瓣的差动电容传感器，为了提高分辨率，本课题将引入锯齿型结构， 把单个弧瓣变成n 个弧瓣。其简化的剖面结构图如下。 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 齿盘差动电容传感器简化结构图 如图2 1 所示，两端极板固定，中间的极板为动极板，传感器内部有一槽，槽内盛 水，动极板固定在浮子上，由于浮力漂浮在水上，并始终保持与水平面的夹角不变。水 平仪的测量表面初始状态是水平的，当水平仪测量表面产生角度偏移时，就偏离了水平 面，但是水面永远是水平的，因此漂浮在水上的动极板也保持水平，而两定极板随着外 壳旋转，所以浮子带动动极板相对于定极板产生相对角位移。 2 3 2 传感器的各参数确定 在加入n 一1 个弧瓣后，情况将变得更复杂，锯齿的个数n 以及动极板的初始状态等 参数均需要确定。两定极板的n 个弧瓣正好间隔开，允许有一定的误差。电容的计算式 为 c = e a d ( 2 3 ) 介电常数是固定的，极板间距也是固定的，因此要分析电容的变化，应该从分析遮 盖面积的变化入手。 一、初始状态下动极板与两定极板遮盖面积比例参数的确定 两固定极板的1 1 个弧瓣正好叉开，动极板的结构与定极板一致，在初始状态下， 设动极板与两定极板遮盖面积的分配比例为x ：y ，初始遮盖面积分别为e 和q ，且 弧瓣为n ，先分析单片弧瓣，则 q = 号等工 他4 ) q ：与罢y ( 2 5 ) 2 i i y 心j 当动极板发生角位移p 时，一边电容增大，一边电容减小，得 c f - - - 专x + t r 2 a o ， 晓6 ， “= 号鼍y 一半 晓7 ， 其中x 和y 为初始状态下，动极板和两定极板遮盖面积的分配值。本设计对象为差动电 容，通过交流电桥电路测量，初始状态时电桥两端必须平衡，因此初始状态下q 和g 必须相等，取x - - - - - y = o 5 ( 归一值，即假设总面积为1 ) ，即x ：) i = l ：1 。即初始状态下动 极板的遮盖面积平均分配。 二、电容随角度变化的关系推算 将x - - - - - y - = o 5 代入式( 2 6 ) 或式( 2 7 ) 得电桥中两路被测电容为 华北电力大学硕士学位论文 c = 言( 等+ 丁r 2 a 8 ) “= 吾爵一半 泣8 ， 因锯齿形电容传感器具有n 个弧瓣，每个弧瓣的遮盖面积都会发生同样的变化，所以总 的差动电容值为 巳= 叫= 等爵+ 丁r 2 a o ) = 鲁+ 刀百占r 2 a o = 以“= 等( 等一1 r 2 a _ o = 罾一万1 占r 2 厂a g c 2 舯 三、锯齿数目n 的确定 锯齿数目n 与4 个因素有关，包括分辨率、量程、加i i 艺、极板宽度和间隙。 分析式( 2 9 ) ，n 越大，分辨率越高，得到结论为：n 越大越好，但是，除了考虑 分辨率因素外，还有一个重要的因素就是量程，若将量程定为理想值l m m m ，即o 0 5 度，所以n = 1 8 0 度o 0 5 度= 3 6 0 0 ，即把圆盘做成3 6 0 0 个锯齿。然而，以目前的加工 工艺，这个指标无法实现。结合分辨率、量程、加工工艺、极板宽度和间隙，将锯 齿数目n 定位5 0 。因此，将n = 5 0 代入式( 2 9 ) 得 。 铆厂22 5 6 r 2 a o l 叫2 _ 夏厂+ f 冗户2 5 占r 1 9 c 业2 ；丁一f 取r = o 0 0 8 m ，d = o 0 0 0 1 m ，譬= 8 8 5 x1 0 1 2x1 0 6 ，a 0 为9 7 x1 0 ， 巳= 4 7 1 x 1 0 - 1 2 + 1 5 0 0 9 6 x1 0 _ 2 a o = 4 7 1 0 2 p f = 4 7 1 x 1 0 2 - 1 5 0 0 9 6 x 1 0 卅2 a o = 4 7 0 9 8 p f 2 3 3 误差分析 ( 2 1 0 ) 代入式( 2 1 0 ) 得 ( 2 1 1 ) 此差动电容传感器的结构是，两端极板固定在外壳上，间隙互相叉开，理想状态下 是两定极板间的电容正好为0 ，但是由于制造工艺技术的限制及边缘效应的影响，将导 致两定极板间存在电容，会影响后续电路的处理，因此，将两固定极板的弧瓣面积减小， 使其略小于间隙的面积。这样，就不会产生干扰电容。但相应地，被测电容变小，这将 存在误差，应该进行补偿。 另外，极板间的介质为空气，湿度的变化引起介电常数的变化，从而引起误差，采 1 1 华北电力大学硕士学位论文 用差动式结构可以在一定程度上进行湿度补偿。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章小电容检测及信号处理电路设计 3 1 电路总体框架 图3 1 小电容检测及信号处理电路总体框图 图3 1 是电子水平仪的传感器变送部分的系统框图。通过电桥电路来检测小电 容信号，电桥电路由振荡器提供方波信号进行供电，电桥的输出是与水平度大小近 似成比例的交流电压信号，电桥的输出信号经过差分放大，进入相敏检波电路，从 噪声比较大的微弱周期信号中提取有效成分，最后进行积分放大，起到滤波的作用， 信号经过输出级积分放大，即得到输出电压信号。 3 2 电桥电路 本文采用电桥电路检测小电容信号，差动电容传感器引出的两个电容，跨接在 一个交流电桥的两臂，随着两个电容的变化，电桥将输出不同峰一峰值的方波信号， 且与供电的方波同相。 电路原理图如图3 2 所示。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 a 图3 2 电桥电路原理图 电桥电路为双臂电桥，两个被测电容跨接在桥臂上，分别与两电阻并联。两端 电容的变化大小一致，方向相反，导致两桥臂的阻抗差异，引起电桥的不平衡。从 而输出不同的方波信号供测量。振荡器产生方波信号至电桥电路，为其供电。v r l 为可调电阻，用来进行初始状态调零，使两边电路平衡。 3 3 振荡器电路 振荡器是一种不需要外加输入信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度 和一定波形的交流能量输出的电路。振荡器主要由基本放大、正反馈网络和选频网络构 成。振荡电路如图3 3 所示。 l f 4 4 4 a 为基本放大器，具有信号放大作用，并通过电源供给能量。通过电阻r 2 4 形成正反馈，满足振荡条件。接着进行选频，得到供电所需要的方波信号。且采用了负 反馈实现稳幅，改善输出波形。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 4 滤波放大电路 图3 3 振荡器电路原理图 本部分电路主要负责信号的放大、滤波、放大倍数选择、倍数校准。利用电路 中存在的c 1 l 起到了积分放大，即滤波的作用。在放大器的前端串接一个电位器v r 2 ， 可对电路的放大倍数进行校准。 r 2 1 ：m 5 0 0 k r 2 0 i i c 1 1 i i l d 甜 u l b b - 斗，z譬。 3 5 负9 v 电压产生电路 图3 4 滤波放大电路 负9 v 电压产生电路用来产生负9 v 的电压，为l f 4 4 2 和l f 4 4 4 供电。其电路原理图 如图3 5 所示。 图3 5 负9 v 电压产生电路 调试结果：调试过程中，使用2 2 0 v 输入转+ 9 v 输出的电源给本部分电路供电， 用万用表测出电源的输出为8 9 9 v ，并且测出i c l 7 6 6 0 产生的- 9 v 信号端的电压也 为8 9 9 v 。可见，使用本电路进行+ 9 v 转- 9 v 的结果是非常准的。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 3 6 相敏检波电路 相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波 电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波 电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信 号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。 相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考 信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐 波的功能。对于n = l ，3 ，5 等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1 1 7 ，即信 号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。 如果输入信号u s 为与参考信号u c ( 或u c ) 同频信号，但有一定相位差，这时输出电 压u o = u s m 2 c o s 爹，即输出信号随相位差爹的余弦而变化。由于在输入信号与参考信号 同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信 号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第四章电子水平仪后端电路设计 4 1m a x i9 7 与a t 8 9 c 5 1 电路区设计 4 1 1m a x l 9 7 与a t 8 9 c 5 1 电路区的功能 m a x l 9 7 与a t 8 9 c 5 1 电路区的主要作用是在a t 8 9 c 5 1 单片机的控制下，通过 m a x l 9 7 将前端电路区传送过来的模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压 信号暂存在a t 8 9 c 5 1 的存储区，再送往显示电路区进行显示。本课题采用了1 2 位 转换精度进行采集转换。 c 1 2 ob l u 4u 6 4 0 * s w l c u 【l麓 i 型 岱i c s2 堡墨啪 2 1 岛印 一 h b e n 2 ， 3 9l d o w 置3 c s阳d i3 p1p 0 o r d 4 w r册 z 。 3 bl d l 髓e n5 r d 翻睡- d j 2 5 f 4 p二 p o l i 6 h b l 3 ln i t 2 4 n r r 1 j 恸5 5 p3 p 0 2 3 7l d 2 l d 77 s h d hc h 7 1 7 k 6 p_ 阳3 3 6l d 0 口 3 5l d 4 l d 68 d ，c 珏6 篮= = c 嚣 f jf u 3 l d 5 l d 59 c 出 2 10 d l t r 8 p i 与5 3 3l d 6 p i 7p 0 6 l d 41 0 d 5c h 4 加 93 2l d 7 嚣tp 0 7 l d 3n i ) 4锄 1 8c 3 匕=l i p 3 d 檬z de 3 l 、_ ， l d 21 2 d 3 d l lc l 匕 1 7 4 知f n r r l 2 p 3 1 ，i x d l e。7 、c u n l d l1 3 d 2 d l oc h l 1 6v o i i t1 3=p 3 2 旧盯p 疆x 2 9 ， d i 正日c h 0 p 3 3 m r np 2 7 。7 、 u ) 0l 2 7 d o i i 心d y 1 5 p 3 p 2 6 2 6 1 瞰1 9 7 w r1 6 p 3 _ sp 2 j 2 5 r d1 7 二 p 3 刮w rp 2 4 1 8 i 3 7 厦dp 2 j 2 4 1 9 x t l 2p 2 2 2 3 c r y s t a l _ c x 2 0 x _ r l ip 2 i 2 2c l k 2 ld 珊 i i - 1 i g n dp 2 d c 挣 u 印r 8 9 c 让 = l i 粥 础c 功r g 1 4 d 印一 图4 1i v i a x l 9 7 与a t 8 9 c 5 1 电路区电路原理图 4 1 2m a x l 9 7 与a t 8 9 c 5 1 电路区电路设计 m a x l 9 7 是一种通用a d 芯片，可以和多种微机接口，在此选用a t 8 9 c 5 1 单片机与 其联接，如图4 4 所示。使a t 8 9 c 5 1 的p o 0 - - p o 7 与m a x l 9 7 的d o - - d 7 相连，由于 a t 8 9 c 5 1 的p 0 口可以作为数据总线来传输，使程序的设计更为简单。用a t 8 9 c 5 1 的a l e 作为m a x l 9 7 的时钟输入信号，当a t 8 9 c 5 1 的晶振取为1 1 0 5 9 2 m h z 时，a l e 的输出频率 接近2 m h z ，符合m a x l 9 7 的时钟输入范围。用a t 8 9 c 5 1 的p 1 o 作片选信号，因而m a x l 9 7 的高位地址为f e h 。选择m a x l 9 7 为软件设置低功耗工作方式，所以置s h d n 脚为高电 1 7 华北电力大学硕士学位论文 平，本课题采用内部基准电压，即内部2 5 v 的基准电压通过r e f a d j 缓冲器在r e f 脚 输出4 0 9 6 v 电压。在r e f 脚用一个4 7 p f f f g 容旁路到地，在r e f a d j 用一个0 0 l 心电 容旁路到地。 a t 8 9 c 5 1 的p 1 1 脚用作判断高、低位数据的选择线，直接与h b e n 脚相连。m a x l 9 7 的i n t 脚与a t 8 9 c 5 1 的i n t 0 相连，以便实现中断采集。 4 1 3m a x l 9 7 与a t 8 9 c 5 1 电路区布线布局特点 本电路区中a t 8 9 c 5 1 和m a x l 9 7