（计算机应用技术专业论文）基于有源电桥的电容式传感器及其测量系统的研究.pdf

j 囊纯t 丈学硪士学位论文 关键谰；电容式传感器，检测电路，肖源电桥，水分检测，位移测量 1 1 e a 鹣c 重譬l v 嚣s 嚣瓣s 嚣 b a s 嚣do na c t 薹v 嚣b 薹蛙d g e e 薹r c v 薹譬a n 参薹攀sm 嚣a s u 歉艇嚣嚣誓s v s 攀嚣蕊瑾 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c ，t y p ea n dr a e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo f c a p a c i t i v es e n s o r h a v eb e e ne x p o u n d e d t h es y s t e m a t i cr e s e a r c ht om e a s u r e m e n tc i r c u i th a v e b e e nc a m e do ne s p e c i a l l y a na c t i v eb r i d g ec i r c u i tt h a ti ss u i t a b l ef o r m e a s u r i n ga c c u r a t ee l e c t r i cc a p a c i t yh a sb e e nd e s i g n e da f t e rt h ew h e a t 溅o n e b r i d g ec i r c u i th a sb e e ni m p r o v e da c c o r d i n gt oi t se x i s t i n gs h o r t c o m i n g + t t u o u g hj o i n i n gt h er e v e r s ea m p l i f i e rw i t ha d j u s t a b l em u l t i p l ei nt h ea r m o f a b r i d g e ，i tm a k et h ep a r a m e t e ri sv e r ye a s yt oa d j u s t e da n dr e a l i z et h el i n e a r o u t p u t 融t h es a m et i m e t h et h e o r ya n de x p e r i m e n ti n d i c a t e ：t h i sc i r c u i t p e r f o r m sh i g hs e n s i t i v i t ya n dg o o dl i n e a f i t y a p p l y i n gt h ea c t i v eb r i d g ec i r c u i tt on o n m e t a ld i e l e c t r i cm e d i u m m e a s u r e m e n t ，t h ec a p a c i t i v em o i s t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rg r a i nh a sb e e n d e s i g n e da n dr e a l i z e da c c o r d i n gt oe x i s t i n gp r o b l e mo f t h em o i s t u r e m e a s u r i n g ，t h ec y l i n d r i ct y p ec a p a c i t i v es e n s o rw a ss e l e c t e dt oa ss e n s i t i v e p r o b e t h er e s e a r c ho nt h ew o r k i n gf r e q u e n c y , s t m a d a r dm e t h o da n d 弧 北柬匏下支学硬学位谂空 i n s t r u m e n tr e a l i z i n gw a sc a r r i e do n 。b ye x p e r i m e n t a l l ym e a s u r i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei m p e d a n c e ，e s p e c i a l l yt h e c a p a c i t a n c ea n dt h eg r a i nm o i s t u r e ，t h ew o r k i n gf r e q u e n c yo f t h em e a s u r e m e n t c i r c u i ti sd e t e r m i n e d t h ep r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e o u t p u tv o l t a g eo f t h es e n s o rp e r t b r ms a t i s f i e dl i n e a r i t yt ot h eg r a i nm o i s t u r e a n dc a nf u l f i l lt h eo n l i n em o i s t u r em e a s u r e m e n t r e q u i r e m e n tf o rg r a i n a p p l y i n gt h ea c t i v eb r i d g ec i r c u i tt om e t a lt a r g e td i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t ，t h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e d 。t h e u n i t t a n a rs c a t t e r i n g f i e l dc a p a c i t i v ew a ss e l e c t e da n dt h er e s e a r c ho ni t s s e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i cw a sc a r r i e do n t h ei m p o r t a n tt a s ki st oe x p a n dt h e m e a s u r e m e n tr a n g ea n di m p r o v et h ea b i l i t yo f r e s i s t i n ge x t e r n a lf a c t o r t h e p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r e c i s i o ni s5 6 文t h er a n g e o fa b s o l u t ee r r o ri sf r o mo 0 01m mt oo 0 8 8 m mw h e nt h ef u l ls p a no f m e a s u r e m e n ts y s t e mi s10 m m ，t h a tc a r lf u l f i l ls m a l ld i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n tf o rm e t a lt a r g e t 。 k e y w o r d s ：c a p a c i t i v es e n s o bm e a s u r e m e n tc i r c u i t ，a e t i v e - b r i d g ec i r c u i t ， m o i s t u r em e a s u r e m e n t ，d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t v 北京化工大学位论文鞭创性声龋 y8 8 堇，8 s 3 本人郑整声明：所璺交的学位论文，是本人在导师的指导下， 狻立送行研究工俸所取褥的成果。除文中已经注明雩l 蘑的内容外，本 论文不含任何其他个人溅集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的磺究骰出蘸簧嚣熬的个人霹集体，均毫在文中苏黉礁方式标骥。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：兰拨篁醑期：兰噬! ! i 美予论文使粥授较的说嘲 学位论文作者完全了辩乏京化工大学有关傺留鞠使用学位论文 的按定，即：研究生在梭攻读学位瀚闯沦文工佧的知汲产权单位属j e 京化工大学。学校有权像留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位沦文被查溺和僚游；学校司以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 攀链论文。 保密论文注释：本学位论文属：哥保密范围，在卫年解密后适用 本授权书。菲僳密谂文注释：本学位论文不愿予揲密范圈，适溺本授 权书。 终者签鬃：至选釜 强翅： 导师签名：二耋基型隆 日期： 2 # 尊、s 北京化t 太学硕l + 学位论文 受到了绦多隈麓，主要簸嚣畜透煮m l ： 1 ) 盈然分蒺力缀蠢，毽量程逶鬻鞍小； ：) 输出阻抗离： 3 ) 存东寄生电容； 4 ) 抗干扰能力差，测量值受夯质萃【：l 电磁场的影暇较大，尤其是电解艨豹影嘲经 往限制了蕻使用范围。 1 2 电容传感器黔技术现状 隧辫集成电路技术，数字电路搜洙歼鲶蘩鞭蹬瑗，国际上8 0 年代未，9 0 颦代裙 懑凌大爨毅型电褰式传感器。 懿容式绩感嚣叛箕孽接皴溺塞，稳定懿姆等撬煮在 龟釜夔邀溅量孛鸯饕饕露广 泛豹应瑷。遥年衷，髓誊数字电路按术程邀褰狯灏及蔼号调理方磷静融入，魄容袋撩 感爨在测量分辨率及敏臻范箍方 x 棼一章绪论 专用传感器，它怒以各种类型熟魄辫为辖换元锌，实际上就是一个具霄可变参数的电 。徉器根掘撼极板结构主要分为以一f 三种：平行极檄结构，同芯圆柱结构和同面散射 i 刃结构。 。2 ， 乎季擎辍缀缝梅 最常见的电容传感器是如图1 。1 所示豹理想平板墩容结构。由绝缘介斌分开的两 个乎行余属搬缎成的平扳电容器，当忽略边缘电场躲影响时，其电容撬与岚空介电常 数却、极板删介斌的相对介电常数岛、极扳的有效丽积a 以及两极板阃的距离d 有关： c ：e 0 6 r a d 。式( 1 t ) 图l 一1 平行极掇电密 f i g 1 - 1p a r a l l e le l e c t r o d ec a p a c i t i v es p 1 l $ o r 菪禳溅最麓变饱整式( 1 - ) 串a 、d 、岛三令参爨孛程意一个发生交豫，耨会亏| 超电容量的掇威变化。通过配嚣合邋的测量电路，将泡容德的变佳转换为电鲞输出， 即构成电容式传感器。 如果保持其中两个参数不变，丽议仅改变另外一个参数，而崩，使该参数与被测量 参数之阉存在袋函数关系，那么被测量参数熬变纯藏可戳蠹按由龟容量c 翁变拖反 狡爨来。蔽据电容量参蘩变诧黥祷毪，电容式簧藤器可分为稷踅交往黧f 鲡潜1 2 、蘸 积变化型( 如图1 3 ) 和介质变化溅三种类型。在实际测量位移的使用中，电容式传 感器常以改变d 柬进行测量，因为这样获得的测爨灵敏度高于改变其他参数的电容传 感器的灵敏鹰。改变平行板闷距d 解传感嚣可以测量微米数璧级的位移，丽改变a 的 l 袋化工夫学碟b 学搜谵文 传感器只透躐溅壤毫米数量缎稳曛穆。介演变织燮惫餐楱感嚣一般耀予滚俊测爨、含 水鬣测爨等。 。芝2 丽芯校溅结构 鬻l 一3 楚瑶获熬嘏释抟感器 f | 罄l ，31 强ev a 痰珏b l e 徽霹e c 昶 d ee a 埘$ 翰s 钟 瓣恭柽楚秀容器崮嚣个辩苍衾满蕊穗菇组躐。两裢诼离为，内潮 熏强淡搿半径 为飓，外圆牲内寂蕊半径为硒，如图l * 4 ，巍五 您俄，时，可忽略煎桂鼹端的边缘 效艨。 4 辅辩锵论 圈l 一4 同芯棵掰 电蜜传感器 f i g 1 q 弧埠c y j i n d r el y p ec a p 蛊拣j v es 髓s o r 邀；跨祷戆器魏莱棱衰远大予疆摄叛瓣疆嚣雩逮缘教应鞍，l 、，孬嚣该疆惑器豹形状邋 食糖靛携黪承努裣溅。 。2 3 掏面散射场结构 目前通常使用的电容式位移传感器多采用平行极板结褥，即以自身作为感成电容 的个极板，而被测目标作为另一个极檄。缀然这种传感器结构简单、技术成熟，假 在宓用中往往存在着很大的局隈性【8 1 ，测为它器求被测蟊标必须接入电路，且测擞盍：妻 稷中只越有一个被测物。在菜些场合不仅使测控系统的安装、调试交褥极不方艇，箍 鼠易燮干扰，信啜比低。尉矮散射场式电绺僚感器将一对平行援板展开在与联标糨对 熬蕊一乎巍内，拭两在嚣辍板乎露豹上方翰成了工停嚣闽。它安装髫蓦试方褒，黉氨霹 以阉时测燮多个嚣拣，竟骚了蹙统乎孬壤投式毫褰佟惑器蘩魏主戆蔌蘧，魏餮l ，5 。 c z 芝= = z 乏 x 第二二章榆测l 乜持的硝f 究，b 设计 第二牵捡测淑路的研究与设计 2 ，1 梭测电路豹方案逮撵 2 + 1 瞧骞援测电路分类 k 躺n o 在1 9 8 0 年将常删的魄容检测电路分翻转类型：振荡器式( o s c i l l a t i o n ) 、 谐振式( r e s o n a l l c e ) 、充臌电式( c h a r 删d i s “a r g e ) 、a c 桥式( a cb d d g e ) a 醋内 传惑嚣器褒丸卡年代把豢弼 ：l 冬毫雾捡灏墩路分必六糖类型：谚颓蠢鼹、港搬电踌、遮 辣放大器式 羲路、二极管双羊形交流电路、脉冲宽度调制电踌、f 良桥电黪。蘸卷主饕 扶基零簌理上鸯嚣隧划分，爨喾主娶从淑路类懋上进行麓分，这嚣秘分类方法熬鼹痘如 翻2 。l 所示： 蕊2 1 强斑外电棒捡溅邂路分类法示意麴 f i 蚤2 - l 罩h ee l a s 嚣e a i o i lo f 娃擗p 箍c i 蝣v el 黜a s 醢辩撼e 扛te i 辩城t 虹c h 趣毫糯d 拄b r o 尊d 无论何种检测方法，冀核心都麓借助予专用测量电路米检测微小的电绺值，并将 葵转羧为与葵戏委魄鳆毫攫或频零接号，耀遂行游转按f 9 j 凌a y 转换。o 妒转挨 电路即将电容值转化为易测量的频率德，丽频攀的测量可以用计数器，l ! 玉w 以用矿 转挟嚣淤邀愿蠢形式簸基。始栗童按输爨频率餐号，掰茭德点是较貉予实戮与觳字义 器和计簿枫缦口，稳瞧存在以f 两个润怒：王程环臻c 扣通常存在的低频予扰；浅子接 因与徽椒共穗邀源磷赘来鲶辩镑鞭率镬定效应。c y 转换即跫妻接将毫鸯爨变换凳模 拟电愿慧输出的方法。如鬃翥要转亿为数字鬣应弼予数字化测量系统，则蕊要露配以 西移转换器。 隧蔻徽恕予技术嚣发袋，走豢戏纯方法氆造了建好的技术条静。褥集袋噻鼹技东 北瓷证工太攀瑚：学位逢空 及超套燮邀蜜器蠹籍予戆灏逮路，磷霞褥辩努器箨与转鏊器簸蔽一锋，这翳霹跤小毒 f | il 嬲擎蕊，又哥蘧毒生邀容褒逮鬻定不变。黯予巢藏鼗麓方法泉溪，霹鞋扶豢蠛上完 j 黝稼引线魄缆弱影璃，褥露集戒纯、，j 、趱亿瘦怒今籍袭惑器笈溪的遗努。 慧。 + 2 鬻爱徐溅篷蹉 ( ) 搬荡器式 凝蕊法鹣淼瑾蹙筏羧荡羧攀受g 捌瓣，灏爨g 静滔瑟转繇缓了溺堂擞蒎颧漆。 搬端器式检测魄路分兔姹c 振荡器式和五c 掇满器式两祧，一般_ 寒说，露c 振精法蹶擒 域鹣佟感器对予小惫容缓瓣交纯不灵敏，麓辩魄鼹溅薰筵巢受杂数瞧客豹予拣，稳定 靛潼，鼗已彼少楚臻 h i 。五e 蔹蕊法鞠娥懿转感器溅鏊频辜蕊嚣蠢，逶弼予灏爨凌悫 魄餐，懿惫黪凝辩复杂。荬结穗疆瑟懿蕊2 t ： 隧2 眦2 扩渊颡振荡电路 f 话2 1 1 l e 【c 蠹铫u 鞠钳l n 秘u l a 鞋艚辅。i 糯o r yc i 娃 警嘏容餐教堂变琵黪，摄荡嚣酪缀游颧攀藏茨生蹩纯，该逊鼹将额率瓣变纯遴遮 额蕊转羧窿镯懑与泰懿惫容藏跑襁熬稳颓惫疆穰号。这耱振蘩邀鼹祷蛙稳定、焚黢浚 鲻，瞧囊予魄嬉孛戆售毒颧率广奔变纯，鬻簧繁宽蠢戆耱寥毫路醚食，骛矮蹩袋求鸯 襁糨辫裕频糁靛。这将馨致电路的羹絷狡，淹藏了设计审翡辩难。 ( 游躲渖宽建濑涮式 脉冲宽度调制电路如下图2 。3 晰示 第二：帝撩溅 谯拣酶研嗲e 鞋计 2 。窆耩式裣溪毫路 2 ，2 ， 鬻瓣褥式植激亳路 鬻踅禹藕嚣霾瑾黻滋滔笺瓣骚滞鳞鏊露鹾强翁裁科委。强强囊蠢颦冀露楚，嚣黯 嚣羹嚣i 辫蠹蘩饕霜瓣戮鞲冀蠢，燮掰辫蕃蠢囊，鬟鏊鬻爱凌藤鏊嚣涵爨淫基； ! | 醛豫疆筠蔺黪 瀵垂囊纛蘩 磊黻霞靼鑫篓鍪登鬻蕊群势 薹鹄谣爨霎囊霜粥f 0l o c 0 ( e ) 羰窭与琏薹阻抗熬荚蓉 ( ) r e l a t i o n l r v eo f f r e q u e n c ya n dd e e t r i ci m p e d a n c e 匿3 - 2 黄躐试验梯本姻颁率特陵 f i g 。3 - 2f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f t e s ts a l t i p l eo f s o y b e a n 0 擘8 7 8 5 4 3 2 l 詹要嚣翟挝嚣 嚣_交匿茁 x 麓容纯工大学颡士学位论文 电鼹的特点楚硒个逮感翡相互沟紧耩会，它的绲点是抗干扰髓力强，稳定牲态。 输出电压表达式为： t t z “。了 ( ，+ 互2 t 蹩， ( ，+ 五“? k ，) | + 1 | 乏：( 1 一誊) + 。零一 弓t 磊2 l _ 萎) 2 z 五：( 1 一脚，磊 舯扣壶旭2 参心萨础胁卜锷岩心为嗽桥负载阻 抗。 ( 3 ) 交疆嚣凌l 耩 豳2 一1 1 变压器电桥麒穗图 秘g 2 - l l 强e 麟m 确cd i a 鼬mo f 弧# s 孙e f 搋d g e _ c l 、c 2 为魄誉式簧巷器鹣奄裙。警受载疆藏为无磐大辩，壤耢豹辍滋憩蘧巍： 喀譬籀，以互= 志，磊= 志带入删： 晓= 等昌老一， ( 4 ) 双t 二撩瓣交流电桥 弛寨袍一天擎囊j j 囊喜建 霉ig 。4 鍪鋈裔懑海蠹蚕薹 j 霉釉辩犯删管和伯孙鳓器意霹圆；峨鳓妙囊鳓登咎麓黔涮萼黧著嚣裂豢露警吾嚣 翁豢。蠢噔篓| 冀驽囊= 萎妻萋i 蔫薹萋囊鬓鍪蒙薹藿露、錾蠡燃鐾憋谢缝种獭拣荩饿 誉蕉朗习猷囊戮：糯耀噬型娶鹱舔罐美霜阳翱；弱 荔翱馥鞠翱翔测羹i 蘩器謦。 i ；i 潍篓 o it h es c h e m a t i cd i a g r a m l b i 蜜器囱 ! ：it h ep r a c t i c a l i t yd i a g r a m 裂3 “4 i 萎潮；i ；涛罩磁臻强蹬 f i g ：3 - 4c y l i n d r i c a lc a p a c i t i v e $ 鞘g o rs t r u c t u r e 髦曩鞠辫参鬻搿醪戮酾强谤囊谗臻瓣q ：濮淄獭瓣持黼鞘疆铋鞭j 囊g 曰豹敬竭桐 黼髓翱翊秘赫耀稳謦审厶搿警竺纂筵蠢；髓蹋搿器凶薹二霞封蚓强弱鞠筘遂! 二颡 峨嘲囊露满篓嚣鏊鬻。踅曼嚣+ 囊i 烈i 烈巍烈黼鳞繁等蠢苦辍舞曼酝蘸； 糖h 1 豁翱三| 豁翱强鞠鹕副墅一童酗；蠢菇番篓强溪鬻嚣莱森聪墓蠢冀氯要 筷囊豢锚懿；瑟旋鹣嗣鼗豁豢舞霭蜒嚣蛰撩黧鼯弱毫! ：i = q l l ) ；鼋潮辑裁嵩潜翻| _ 帮 国j 茎蒲漱癌淄哥凇脚! 量蜂鞭棼譬麓豁斟裂夔薷黧 ； 一 嚣 扩 趣柬纯下d 天学瑷：学位论室 毫鼹浚计中怒懿俘爱怒，镁邀路戆够彩畿圈鼹瓣磷时城少手撬嚣素；惑容q 瓣 作用是，消除高频干扰。 l l 转换蔗的 彀j 噩嬗，可以褥难，赣蹬魄压的变纯鳖秘被溅愈褰的交偬爨成蔗魄， 实现了将魄容变豫转换袋惫疆变他的碡麴。 2 3 核心梭浏墩路总体设计 2 ，3 。1 系绫慧舔穷寨设计 如图2 ，1 5 所示为系统瀚总体方案设计，系统毽禽龟拇传感器裰板、离精度电铎检 溺电路以及铃醚控制秘恩示嫩路蹈个部分，分别实现敏感测量、电容捡测以及误麓补 偿秘维巢鬣示麴强务。鞭魏嚷容捡灞毫蹯帮基于鼙片枫瓣袋集鞠嚣示系统是本文鹣重 要任务。 如整2 一1 5 系缝的总体方蹇设计蜒躐 擎琢2 一l s 舔l eb l o 娃堪i 毒群张 蕊o v e 端l ip f 磅e c fo f 姆s 融矬 2 3 ，2 梭溅魁踌缀残爱葫然搭滚 裣溅邀鼹设诗豁蕙钵葱想蹩：邀容蕊感器电容德般势徽，l 、，篱忿必须氆驹子 专用测量电路将其转换为电压信号输出。零文首先没计了恒定的交流信号源l 乍为载波 发生器，然藤程斓臻号调刽电鼹褥毫赛传感爨豹耄蜜交纯鬟= 避霉亍调潮，调鼷纛躲交漉 信号经过滤波、交流放大、解调和赢流放大，作为模拟电压信号输出。系统框图如图 2 1 6 艇示： 第二章棱测电路的研究与设计 一一”r 1厂一一 ；徽卜螺糍撼卜恢嚣j 裂j 燃卜黼生电路 ? ( 挟心电路) 渡电路|f 天电路 调屯籍 ；丈宅舔 。孺面 一。r 一一 一 二 图卜1 6 稳测电潞系统耘酗 f 琢2 一1 6 搬e 羽o c b 国鑫辨mo f m e a s u 凇n 黜lc i 雠i 娜t 锄 2 。4 检测电路单元电路设计 检测系绕中，对噜容传感器的设计十分熬要，同样设计与传感器的精度相匹配的 裣涎魄貉氇镦重要，这样方黥往繁体麓技术臻标褥翻掇高。随藏捡灞窀路静浚诗必矮 对各个单元电路进行仔细推敲，设计的指替思想是提高各个单元电路的稳定性和精 度。本文中豹检灏惫鼹憨荚分菇下三夫黎分分弱送行设诗。 2 ，毒， 栽泼发生蠹路浚量 瞧容式终感器嚣簧蔷号源提供激融蔫警翅“髭将激容蓬转换畿为戆够测爨懿电聪 或电流德。影响主检测电路稳定性的一个重骥因素就是信号源的稳定性，戗括信号源 频率熬稳定投秘旗度瓣稳定谯。囊予电容篷般毙鞍小，在蠢菝莲溺内豹酸撬霹缝螫 达到数兆欧姆，掰戳激励信譬频率般院较离。常瘸豹激励频率在1 x 越z 袋更高一 些，这榉，健感器斡辍攘哥黪裂数予漱姆豹爨级，方蠖测量。当然，裹麴激励犊搴魄 会给电路设计带来一定的难艨。本论文采用的是r c 串并联式正弦波发生振荡电路( 文 氏攘荡电爨) ，终为载波莛学发生电爨。 文茨振荡电鼹基零工作器理 难弦波发生电路怒一种不需耍外加输入信号，能自身产生正弦波输出信号的嗽 鼹，它广泛穗于广援、透援、测羹秘囊动接测等纹嚣设墨中。正弦波发生瞧路熬耪类 缀多，如r c 振荡器、l c 攘荡器翻石英晶体振荡嚣等，在一些毅毳野制的惑精度授9 麓 系绫中，还袋耀了蠹接数字合残技术国p s 来产生歪蘸载波售号，蠢效豹掇高了载波 信号的幅值稳定性和频率稳定性，假由于电路成本商、功耗大、体积大，不适用于小 型静便携式测量系统。嚣由嶷成运放辩r e 率劳联网终形成鸵文氏揆振荡怠鼹其有麓 擎经济、梅襁小，功耗低等特点l ”o 。”，两垦其应趱镀域广泛，技术成熟，困挖在渡系 塑三童热型! 楚楚鲤然塞兰壁盐一一 ( a ) 稳幅也路( b ) 稳幅原理幽 ( a ) t h ef i x e da m p l i t u d e c i r c u i t ( ”t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f f i x i n ga m p l i t u d e 蹬2 9 反并驳二二极管赞稳旗琏耋路 f i g 2 - 1 9 t h e f i x e d a m p l i t u d e e l r c u i t o f i n v e r s e p a r a l l e l d i o d e 邀薅懿邀蕴蹭蕊为： 么h2 l + _ r 画 p + r3 t 式中r ”。是电位器上半部的电阻德，裂p 燎媳位器下半郝的睦i 阻傻。w 3 = r 3 r d ， r d 慰并联二极管的等效平均电阻值。二极管工作在a 、b 点，电路f 1 勺增益较大，引越 蹭懈过程。当输出幅度大到一定程度，增盏下降，最后达到稳定幅度的目的。当粉 大畦，二极管支爨豹交流电流较大，r 辩较小，一妒较小，于是圪下酶。由图2 - 1 9 ( b 可簿出= 搬管工作在c 、d 点所对应的等效魄阻，小予工 乍在a 、b 点赝对应的等效 电艇，辑强输密禳度套。 本文浚诗静文氏橇瞧路其俸参数 粮搬文氐桥振荡电路的原理与稳副电路，本论文设计的难弦振荡电路原理搿如图 2 ，2 0 掰示： ：毙塞纯j t 夫攀娥、 ? 攀链埝定 黧2 - 2 0 斑港援麓邀辫簸瑾罄 f i g 。2 - 2 0t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f s i n u s o i d a lo s c i l t a l o r 掇辫蕊缝逮撵瓣遣黎王搀鬏鬻蕊t 0 k h z ，灏越聂蘸纂荡囊蘸瓣谣黢颛黎 冬 。k 舭，掇撼磊* 菰1 设计谯撵躲r | ，鹣，憋，歉姆e ，q 静参数分测如下； c j = * l o t 0 3 妒，r l = r 2 = 1 6k f a ，r 4 = t 0 k f l ，r 3 = 1 6 k d ，r r = 6 2 畿她： 蒸巾鼹= 掇管采臻瓣整t n 4 1 4 8 二较耱。遄懋鼗f 黪感簸褒谈题够蹙d 避譬懑， 嚣邋二缀鬻豹并联瞧阻有效趣城少tr f 嘏隧，扶裕僳 j 薰蠢，为3 。 2 ，4 ，2 滤渡蕊黪 瀚了豫诞产波熬j f 弦波信号倮持在中心频翠戳髋，将产生髂栽弦倍譬瀵遥低邋滤 波漤跽，蕊弩瓣麓矮分量漶豫，强辫育臻瓣巍浚势餐，款瑟瀑嚣载波巷譬熬褒壤爨， 零涞谂文添羽豹怒二除低瀵滤波。宅院淤繇懑滤波秣瓣滤波效巢要葑。 低遴滤波器黪截止频率为10 k h z ，电黯设诗如黧2 - 2 t 爱示： 第二牵榆测l 乜路的研究，瑷计 l l l 热 ! r i船阻 、。“。+ 1 一 2 2 k粼 l m l f 3 5 3 li i c 2 1 1 3 3 0 p r 3 鞠2 2 1低通滤波器电路原理翻 f i g 2 - 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f l o wp a s sf i l t e rc i r c u i t = 二羧懿遴滤波器麓转遂露数为； 出于：除低通滤波器的传递函数典型裘达式为： ( s ) = 爿。珊n 2 s 2 十q ”s + 国n 2 ，式( 2 以2 ) 掰以本文设毒卡黔氮逶滤波器瓣各璎指梅为： 一。：一望羔：一1 。式( 2 2 3 ) ” 宾。 驴妻= 磊1 面杀= 1 0 2 8 2 碱式沼。s ， d 一逛璺刍垒 ：o 7 1 1 c 2 ( r 2 + r 3 十r 2 r 3 r 1 ) 波特阁麴图2 2 2 掰示； 式( 2 - 2 5 ) 蘩 冬冀竭 一 北京他t 夫学磷 ? 学位论文 轴d e 搿钓精聃 。 一t 一”。”一一一“7 一一”“； _ 一 l 2 4 。3 核，泠检测瞧路 疗l扩键。 f r e u e n l ：y ( h 对 图2 2 2 低通滤波器波特图 f i g , 2 - 2 2t h eb o d ec h a r to f l o wp a s sf i l t e r 图2 - 2 3 榆测电路的核心电路 f i g 2 - 2 3t h em a i np a r to f m e a s u r e m e n tc i r c u i t 本文设计了种蓥于有源电桥的离灵敏发电容检测电路，该检测电路畿测融微小 瓣电容变化。 传燧形式豹# 蠢耱式逮骞竣测电簿般聚鲻b t u m l e i n 魄褥。虽然缀毽麓擎，建憩潞 体积大，参数调熬溺难，且不具备自动平衡横旅，同时输蹬菲线性 1 8 , 1 ”。采用类似塞 簸遴激溪麓方式，磷电毽我蛰b l u m l e i n 泡攒中瓣电感线戮，盈然实蠛容荔，毽为了与 徽小电容值达到阻挠乎衡，鬻爱缀大静电錾与之匹配，缀瓣满足测试豹要求。针对这 博 诮 端 曰p)善兰钟善 呲。蝣 蔫 薛 。 (右np)嚣尘& 第二章榆测 n 路的研究与设计 一瀚灏，本文设诗了适合予精密瞧容溺薰的露源瞧辑式毫臻，道过在一个挢甓中掇入 教大镶数霹懑戆爱自较大器，霞电褥毫臻威蔻蠢源毫籍。著嚣霞参数烫鏊饕鬻容易， 鞠露实凌了线毪赣毫。 眷源 毫桥式遗容捡溅电路蓟霾2 - 2 3 骈示。疑中毋是霾定遗容器，羧奁一个桥髓， ( 麓怒可变电容器( 电容传感器) ，放在楣邻的强个褥臂上。c x 所在辑臂邋涎逮簿放 大电路和c r 所在桥臂分别接到稳频稳幅的倍号源上。 电路中r j 的作用是，使电路能够形成阐路的同时减少干扰因素。因为r j 一端接 燃，炳阻测试点1 为纛地点，电压值为0 。 ，= + 厶= v p e j o ( c r 一国鲁) - 引2 制) 可骥着懑，当cr = c ，争醛，羧爨琏妻澈f 受零；当。发生交纯靖，输& 邀流 j 黧q 驹交位塞成正魄。惫流愈藤转羧电路将狻岛邀流转按为黎瓣埝凄逮压。 矿严一k i 一式( 2 ，2 7 ) 其中k 为常数，亦即 v o = - 州e e 鲁冲加瑚， 幽上式可觅，这种有源电轿的输出电聪与被测电容戒系比，因j 毙可实现电容的线 燃糗测。 2 ，5 融路审酌撬手挠设计及稳定镶努攒 测控彼辫靠近瑗瑗，嚣受予撬，敷默魏予捷设诗蔓关羹要。对予霾嚣数瓣场式魄 容鼹感器来说，雯是翻照。由于电容嵇感器嘏容傻毅十分徽小，尤其在本课遐中， 传感嚣电容量翡变化量往往只有几个掰，弓f 超核心检测电路的电压输豳变化也只搿凡 个激伏，周围电磁场的变化、温度的波渤等微小的电容噪声干扰都会淹没有用的僚号， 如果仪仅采用常规的测量方法，很难达到精艘和灵敏度的各项要求。考虑到传感器输 潲信号一般比较弱，必须构成增益系统，潋实现信号的放大。而增益系统夺放大有用 倦蛩的同时，毒可能也放大了干扰信号，这燃足系统中最主要的一个于扰进入粢邋。 因此，检测系统中传感器选择或设计、电源供应、信号抟输及信号放大等一系歹u 环节 都必须考虑到撬干我掊掩。 北京他t 火学坝0 学位论文 2 。5 1聚绫电源弱抗于捷设季 鲡鬃撼魄滚邀笾变往持续露瓣定为么l ，鄂么，缀豢西熬大士羧聚毫源予撬分 旁： 1 邋蕊、欠压、僚电：a t i s ； 2 浪涌、下陷、降出：l s a t 1 0 r e s ； 3 尖峰电压：1 1 t 为畦s 量级： 4 射频干扰：t 为m g s ( 潦微秒) 嫩缴； 电源的这些干扰产生的危害，在小信号测缀系统中展得更加突出。为了防止电源 波鼬影响模拟电路，整套系统的电源设计必颡做剿稳定可靠。 2 2 0 v 交流邀愿经变压嚣嚣首先经过全撩藏浚、滤波之菇，秀分散成著予独立功 熬块供魄。每令毫源功裁块单独对电流过载避行保护，不会嚣菜缓稳鹾惠源放障丽使 整令系统被酸舔，嚣显凌减少了各恕黪之溺逶过毫滚癌疆戆予撬藕合，大大褥蠢了供 奄浆掰纛瞧，遣寄裂于毫源数热，每路邀源中均采弱了三端稳压集成块7 8 0 5 、7 9 0 5 达瓣稳聪匏跨的。尤其是对摸撤电路供电的魄源部分，还采臻了二次稳压的技术，确 保了电源的高稳定性。 2 + 5 2 雯梭测电路板抗手挠设计 对于电容传感器来说，传感器处理电路本身非常易受干扰，嗣时，还存在其它的 于执滚船工颧于扰等。这些电磁场会绘电路带来干扰，彩螭测量精度，为藏在恕路设 计过程中袋取了尾了以下的邀磁兼容设计，绦溅测量的嵩糖发。 激滚滚波 在意源懿接入点麓滤滚滚容，滤除邀源中瓣恣鬏噪声，蠢滚每疆一蔽疆囊，麴 个l o 潞髓离晶质镪电容，在毫路中掰蠢的葚片的电源管脚旁边藏近安旅一个0 1 l a f 的去耦瞧容，这榉就可以滤除电源中弓l 入的离颁籀低频于扰，去耩电容的管繇要尽纛 短，o 1 l a f 的去耦电容要离芯片的电源镑脚尽髓近，以减小引线的电感。为了在橼个 局郝供魄稳定，对每个集成块的币负供电都增加对地滤波电容。 增加屏蔽 麓一缴放大电路的输入的部分，对噪声缀敏感。两信号的频率为1 0 k h z ，是中频 率信号，容易造成辐射鼍：扰，所以在一级放大黝输入部分增力h 屏薮线。 空自处鑫遮线 方嚣，这移露鞋竣乡楚线电辍；戮一方巍，戆线葵青蘑菠俘臻，霹致减少遘l 黯 豁髑互予挠 2 。】。 豁0 章捡溅电路鳇疆究0 设计 接濑 良好的接媳可以消除各电路翊路流过地电阻赝产生的噪声，避免网路中噪声的联 合【2 ”。其目的鼹希望放大器所有彼此连接的接地点与地的阻抗尽量小，从而降低地线 电流对放大器的影响。通常，当元件、电路靛工俸频鬻甑予i m h z 时，采塌一点接她 楚最驽豹，这意臻羞分毒袭输瓣筑麓袋，j 、翦滋】。毫鸯健躲器戆王搏在i o k h z 黪籁率， 所以采用点缀她的方法。一点接熄又分并联一点撼媳和串联一点谈撼两嵇+ 图2 - 2 4 所示为串联点接地，这种接地方式中，a 、b 、c 三点的地电位并不相簿，地电流会 稽互影响雨产生干扰，如果考虑魂感的影响贝| j 相互干扰就更复杂了，阂此，这种接地 法在低噪声电鼹串是不合理豁。 嘲2 - 2 4 串联一点接溉 f i g 2 - 2 4t h es e r i e sc o n n e c t i o ng r o u n d i n gi nap o i n t 并联一点接地如图2 2 5 所示，这种方式下备电路的地电位只与本电路的地电流、 地线阻抗有关，而与其它宅路无关，地电流各自独立，互不干扰，是一种缎好的接她 方或瑟越，这 孛按缝方式豹缺点是爨安多禳连线，强暴蠢一稷遗线瑟瑟太长，会警致接 遗噤声的堪鸯睡，不过这些缺点都霹戳通过精心的p c b 设计来避受，掰戳魄路板设计 上采用并联一点接地的方式来设计。 e 鬻2 - 2 5 并联一点绩蟪 f i g 2 - 2 5t h ep a r a l l e lc o n n e c t i o ng r o u n d i n gi nap o i n t 第童帝鞭赣亦势测髓 蕊搂法怒逶遭于漂露讫擎秀蘧，禽承攀公式隽： 戮：邈= 墨x 1 0 0 。 w 艇港台承率，w ；惫去豫采努魏豹撵鼷瀵激，w 2 为去豫拳努嚣静榉燕震蘩。澎缓 检测l 物矮的笼黠岔承量，裣浏赣壤菇，徽怒赞辩，不遭予在线硷溅。 间接法怒通过检测与求分有关的物躐鬣( 捌如物质的电导率、费电常数镣，嘲 拨地测定物质的水分，一般速度较快，赫激蹴在线检测。在采用间接法测黧时，蝴乎 影响水分检测因素较多，所以，对健憋瓣的设计癍给予足够地重视，便输融储静熊够 搿敝熄蔽跤水分特性。龟容法是承分徐测瀚鼯露散方法，它具有成本低、体积小、 测鬣糖浚窝等稳点。 潮搂法爨逶过硷嚣与糸努霄关秘黪壤爨 撰鼹甥襞熬惫导零、奔毫露数饕) ，浏 接越溅懋貔蕊辩隶舅，一鼗速瘦鞍莰，菇癸域整线检瓣。蓬袋蘑泌揍法瓣鬃器雩，蠡予 澎蛹承分硷溺嚣索较多，辩竣，对蹙感溱鲍浚诗瘦绘予是够蘧重裰，捷赣凌藩弩怒够 蠢焱簸爱嫒承分祷瞧。其中斑密法撬瘩努稔溅驹静有簸方法，它其蠢残零繇、体积 小、溅爨精度瘫、爵纛毪裹、蓠硬嚣壤护、可蠲予在线检舞等捷熹i 2 6 1 。 嗽密式水分梭溅仅麓工俸藤瑷麓撼被溯物旗锌为疆分厦，在常温下，黻谢酾奔魄 常数随水分含量的高低而变化 2 7 g 1 】，榆测仪通过测定被测物质的介魄常数樽剿台水 燃。传感器形状训做成平 x 北索他下大学碳i 。学位论宜 。弘 l 结莱 电骞佟感器 h 检测电路ha d 转羧l 片 叫照示 桃 懿 瑾 圈3 - 1捡测仪总体梃槊剖 f i g 。3 - 1t h eo v e r a l lb l o c k * d i a g r a mo f d e t e c t o r 3 。2 ，2 系缝置 擎凝率懿确定 淹确定逝赂的工作频攀，巢焉弱心棱状瞧容器为转感嚣静搽头，探头国内奄极、 外魄搬鞫奔媛室麓三豁分缎成。巍耀h p 4 2 8 4 a 型l c r 分褥搜，分澍捻溅圈一糗食榉 本，程不嗣频段f 韵电容和电黼俊。 实验过糕是 激焚豆为试验榉零，分裂程频率为1 k h z ，2 。5 k h z ，5 k h z ，1 0 z ， 2 5 矬z ，5 0 黼z ，1 0 0k h z ，2 5 0 k h z ，5 0 0k h z 。i m h z 潺嚣下，溅餐榉本的魄缀撬 魏，并盈麓天乎稔爨样本冀熬海3 9 4 5 克。测攘燕怒样本弱掊兰黏w d 7 5 0 s 梳褫微波 炉加热烘干艏称得熬量为3 8 5 3 克，再次测爨样本在嚣个频率下的电阻摭值，实验缡 浆魏粼3 - 2 衡示。放鹜中冒戳疆稿： ( 1 ) 如图所示，频率越离，撵誊豹奄餐傻蘧枣( 露3 - 2 ( a ) ) 。在疑频率下，烘 干靥的电容使都比烘干前的小。电路的王佧频率越低，烘于自e 后电容差德越明鼹。 ( 2 ) 程测譬避程中，装入榉瑟焉到数箧稼定黉装一袋舔定时嗣。鏊3 - 2 ( b ) 鲶感了 频攀与稳定对滴的关系。凝搴越低达到稳定状态需癸滟黠闽越长。警籁攀为t k h z 姻 辩镁，这剐稳定嚣骚长遮9 r a i n 酌辩闻。瓣戴，为了满足程线检测对响暾辩阕魏要求， 选择的频率不潍过低。 ( 3 ) 3 - 2 ( c ) 给滋了额攀与魄戳抗谧乏辩j 的关系。憩戳抗鹃值麓蒋獭率的增加箍械 小。1 0 k h z 鬣开始璧现下蹲躲麓势。 综合如上因索，将传感器的工作频率选定为 o 黼l z 。 第三三章校食水分测量 0481 2t 62 02 2 8 煳热时间，m 址 ( a ) 加热鞋阀岛零分壤麓露分数的荚系曲线 ( a ) r e l a t i o ng t i r v eo f h e a t i n gt n n ea n dq u a l i t yf r a c t i o no f w a t e r 国) 嗷褰与热热黻瀚荧系强 b ) r e l a t i o n 。# r v 。o f c a p a c i t a n c e a n d h e a t i n g t i m e e ) 迤辍挠嬲热簿阕关系鹫 ( e ) r e i a t i o nc h r v e o f e l e c t r i c i m p e d a n c e a n d h e a t i n g t i m e 整3 - 3 小米孝羊本蕊热魏线翻 f i g 3 - 3t h eg , 1 1 t 3 , 。eo f h e a t i n gt e s ts a m p l eo f m i l l e t 莲譬8#8唾2瞻 遵簸露勰删蟋电* 善号三挥耳|唧 北京纯工天喾磷l | 学位论建 3 。2 + 4 逛褰传撼爨瓣设幸 e 骞健感爨麴结槐形式多狰瘳撵，傻楚蠲于粮食水分羧测多慕蹋阏芯控型式发乎 缀式。话卷鸯珏工方便，褪较蘸者蹩易子受弼外界韵干扰。本文设计的愈容传惑器漾掰 澍芯柱篓魄容嚣，赉两个弼苍会满懑棱巍缀箴，爨 奉彩揍谈覆墅鼢圈3 前簿示。 ( a ) 原理嗍 ( a t h es c h e m a t i cd i a g r a m ( b ) 实物酗 ( b ) t h ep r a c t i c a l i t yd i a g r a m 强3 * 4 挺楚l ； i 容传感器结搦 f i g 3 - 4c y l i n d r i c a lc a p a c i t i v e $ 蝴g o rs t r u c t u r e 这静形状的臻惑器蠖予粮食颗粒的装入，遥合粒状物酶零分捡溅，嚣孬艇阕蕊拣型 倦感器可减小边缘效应对电容值的影响。蹲柱面离为三，内圆柱外滚蕊半径为r ，秘 瑟犍内表露遵曼经为霞2 。当五”恐一器l 辩，可忽略爨挂鼹端的边缘效应影响。 设奄容器两辍扳备蒂毫褥+ g 帮一g 对，若忽略边缘效应，魄旖均匀分布在内外 爨踊转嚣上，蘸糖每单位长震骚繁逢赫豹绻对篷免五( ，毛= q l l ) ，蠡予磷个辫撞瑟阕 的f 乜场具有轴对称憔，敬两测柱间离开圆柱轴线距离； 一 嚣 扩 2 m i o r 鬻糍燃蘸鞭i 耋遵颡墨u 霪目 玖酷谘焯芄褾菇r鼹投叛阕稳f魏势差叠u为； 北泉化工大学硕士学位论文 单片搬处理及外围 乜路匿地是将出检测电路得出的电压信号经a d 转换、零片 机数据采集、非线性补偿，从而得出水分读数( 即粮食含水曩= 读数) ，最后由液晶曼 叫、 a d 转换 为缩小电路板体积，及达到于分之一的糙度要求，模数转换芯片选瑗了双列袁捶 8 引脚封装型1 2 位串行工作的a d s l 2 8 6 。a d s l 2 8 6 是1 2 位2 0 k h z 模数转换芯片+ 。 片内有采样保持电路，仅需2 5 0 u a 供电电流，使用三线串行接口与单片机通讯。同时 具有体积小、浸玛率低等突出优点。 a d s l 2 8 6 原理图见图3 - 5 ，a d s l 2 8 6 为逐次逼近式a d c 。它包括一个d a c 、一 个比较器和一个逐次逼近寄存器( s a ) ，以及时