电容位移传感器的.doc

黑 龙 江 大 学本 科 生 毕 业 论 文论文题目：数字式电容位移传感器的研究与设计学 院：电子工程年 级：2007级专 业：自动化姓 名：李瑶学 号：20075181指导教师：毛琳2011 年 5 月 7 日51摘 要由于具有结构简单、动态特性好、能实现非接触式测量等优点，电容位移传感器广泛应用于超精密加工、高精度定位、超精密测量等领域。现有电容位移传感器普遍采用测头与测量电路分立式设计，信号传输电缆的寄生电容等分布参数对传感器的分辨力、稳定性等性能影响显著，因此信号传输距离受到严重限制。如何保证电容模拟信号传输的稳定性以及减少漂移，就成了影响电容传感器性能的关键。为了完成对电容量的测量，本文设计了一个脉冲宽度调制电路， 将电容量的变化转化为不同宽度的脉冲，然后用单片机的定时器功能检测出来并通过数码管显示出来。再运用PROTEL99 SE将设计的电路制成电路板。关键字电容；传感器；数字式；脉冲宽度调制；Protel99 SEAbstractWith the advantages of simple structure,dynamic characteristics and non-contact measurement,capacitance displacement sensor has been widely used in thedomains of precision machining,high precision orientation and ultra precisionmeasurement.The measuring circuit of capacitance displacement sensor is commonlyset out of the probe.So the parasitic capacitance of the cable influences theresolution and stability of the sensor.The signal transmission distance is severelyrestricted.Thereby how to ensure the stability of analog signals transmission andhow to reduce the zero drift,has become the key which influences the performanceof the capacitance sensor.To complete the measurement of electrical capacity, the paper designs a pulse width modulation circuit that changes the capacitance into a different pulse width which can be detected by MCU timer functions and displayed through digital tube. Then using PROTEL 99SE makes the design of the printed circuit board. KeywordsCapacitance;sensor;Digital;Pulse width modulation;Protel99 SE目录摘 要IAbstractII前 言1第 1 章 数字式电容式位移测量仪的原理介绍21.1电容传感器的原理21.1.1变极距型电容传感器31.1.2变面积型电容传感器41.1.3电容式角位移传感器41.1.4变介电常数型电容式传感器51.2电容位移传感器测量方法对比61.2.1 运算放大器式电路71.2.2 差动脉冲调宽电路81.2.3调频电路101.2.4二极管双T型电路101.2.5 AC桥路式测量电路111.3电容式传感器的特点及发展趋势121.3.1电容传感器的特点121.3.2电容式传感器的发展方向14第2 章 数字式电容式位移测量仪的电路设计152.1测量电路的设计152.1.1单片机最小系统152.1.2 stc89c51引脚功能介绍162.1.3电平转换电路182.1.4按键及电源接口电路的设计192.2电容传感器的电路设计202.2.1检测电路的设计202.2.2 555定时器的介绍232.3显示电路的设计242.3.1 CD4511介绍252.4单片机软件设计26第三章PROTEL 99SE制作电路板303.1 PROTEL99 SE303.1.1 PROTEL99 SE简介303.1.2 Protel99 SE软件的一些使用方法303.1.3 PROTEL 99 SE软件的发展323.1.4 PROTEL99 SE软件特色323.2实际操作生成原理图333.2.1 新建原理图设计文件333.2.2 ERC 检测及元件清单生成343.3制作PCB 图353.3.1生成网络表353.3.2 网络表与元件的装入363.4 实际电路调试38结 论39参考文献40致 谢42数字式电容位移传感器的研究与设计前 言位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，能将被测物理量(位移、压力等)的变化转换成电容量变化的元件，通过检测电路再把电容量的变化换成电信号(电压、电流或频率)。它与其他传感器相比，具有一系列突出的优点:结构特别简单，能实现无接触测量。采用合适的检测电路，可以做到灵敏度高、分辨力强、能分辨微小的位移。由于电容传感器只需输入极小的功率，而且在移动过程中没有摩擦和几乎没有相互作用力，因而特别适用于地震仪器。当然电容式传感器有它的缺点:容易受外界干扰和分布参数的影响。随着电子技术的飞快发展，克服了电容式传感器中所存在的一些技术问题，获得了广泛的应用。近几年来，在地震仪器上也开始了应用电容式传感器。电容位移传感器还具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。数字式电容式位移传感器广泛应用于高精度的精密加工、高精度定位及高速高精度、大行程机器人的运行定位中以及石油、化工、电力、储运、建筑等工业生产领域，尤其能在强光照射、核辐射条件、过载冲击震动等恶劣环境下工作。数字式电容位移传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点。在众多的测量仪器当中，非接触式测量仪器由于其自身的优点，成为微位移测量领域的主流研究方向之一。目前用于微位移测量的传感器主要有数字式电容传感器、数字式电感传感器和新兴的光纤式传感器，这三类传感器各有优缺点，适用于不同的测量场合，在高精度微位移测量中，数字式电容传感器以其自身的优点得到广泛应用。与其他两种传感器相比较，其具有如下优点：结构简单，适应性强 。动态响应好。可得到较大的相对变化量。温度稳定性好。可以实现非接触测量。由于数字式电容位移传感器的这些良好性能，世界上很多著名的研究所和测量仪器公司不断创新推出各种机械的、电路的以及软件的方法，经过近几十年的技术更新，数字式电容位移传感器的发展以高精度、智能化、便携化和模块化为发展趋势和主流研究方向。目前，数字式电容位移传感器作为一种测量微小位移的精密测量仪器，已经在全世界范围内被广泛地使用。第 1 章 数字式电容式位移测量仪的原理介绍传感器的应用方面可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量；还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等等，在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等检测领域。1.1电容传感器的原理 电容器是一个既能充电又能放电的电子元件，电容器的基本结构由两只金属极板或圆筒中间隔以绝缘体组成。电容传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并以空气为介质，如式（1-1）所示。在不计边缘效应的情况下，平行板式电容器的电容为 （1-1）式中 c电容量； 电容极板间介质的介电常数； A两平行板正对的面积； d两极板之间的距离。 当被测参数使得式（1-1）中的、A 或d 发生变化时，电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。 1.1.1变极距型电容传感器图1-1为此传感器的原理图。设初始电容量为： （1-2）若电容动极板因被测量变化而向上移动时，则极板间距变为，电容量为： （1-3）图1-1极板移动前后电容的变化量为 ： （1-4）上式表明C-d之间不是线性关系。C-d的关系为非线性，其特性曲线如图1-2所示。 但当d=d0时，可以认为C-d的关系为线性的： （1-5）图1-2则其灵敏度K为： （1-6）故变极距型电容传感器只在d/d0很小时，才有近似线性输出。其灵敏度与初始极距的平方成反比，故可通过减小初始极距来提高灵敏度。1.1.2变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为图1-3 变面积型电容传感器 （1-7）C与x间呈线性关系1.1.3电容式角位移传感器 当=0时 （1-8）图1-4 电容式角位移传感器当0时 (1-9)传感器电容量C与角位移间呈线性关系 1.1.4变介电常数型电容式传感器初始电容 (1-10)电容与液位的关系为： (1-11)图1-5 电容式液位传感器如图1-5电容式液位传感器 (1-12)当L=0时，传感器的初始电容 (1-13)当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 (1-14)电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 1.2电容位移传感器测量方法对比电容位移传感器将被测的非电量转换成电容的变化量后，必须采用测量电路将其转换成可以应用的电量，如电压、电流及频率信号等，这种测量转换和处理的方法有很多。目前广泛使用的测量方法有：运算放大器式法、差动脉冲调宽法、调频法和调幅法。1.2.1 运算放大器式电路 最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性图1-6 运算放大器式电路Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 由运算放大器工作原理可知 (1-15) (1-16) (1-17)结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性，假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 1.2.2 差动脉冲调宽电路图1-7 差动脉冲调宽电路（1）.当C1=C2时，如图1-8(a),则T1=T2，UAB为等宽波。输出平均电压UAB=0 （2）.当C1C2时，若C1C2,则充放电时间常数T1T2。如图1-8(b)，UAB为不等宽矩形波，平均输出电压UAB0，经低通滤波后，可输出直流电压。图1-8 波形图，分别为A，B点平均电压 比较器输出高电位压阻容充放电过程为：当R1=R2=R时，式代入中有： (1-18)即差动电容C变化，使充放电时间不同，从而使双稳态输出方波脉冲宽度不同，因此A，B两点输出直流电压U0也不同。 若用平板电容：C=A/d做成间隙式 则 当 (1-19)对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都成线性关系。除此之外，调宽线路还具有如下一些特点： （1）不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求； （2）效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出； （3）不需要解调器； （4）由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。 1.2.3调频电路图1-9 调频电路 (1-20)当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0， (1-21)当被测信号不为零时，C0，此时频率为f， (1-22)具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。1.2.4二极管双T型电路图1-20 双极管双T型电路电源为正半周VD1短路VD2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下: (1-23)在R+(RRL)/(R+RL)C2 Copy Component 相互复制，不同数据库时可先用右键的copy将整个元件库复制到当前数据库，再在该数据库中进行单个元件的复制。在放置芯片引脚时大头指的是引脚外侧，引脚名称会嵌到芯片框里，引脚号在外侧。（1）在画芯片图时，如果用到画线的功能，则应将View - Snap Grid 功能打开，可增加画线时的定位精度。（2）不同设计文件之间拷贝模块时，操作如下：先选中要拷贝的部分拷贝，鼠标变成十字线后在选定的区域中间点击左键切换到另一个设计文件，粘贴即完成了操作。3.1.3 PROTEL 99 SE软件的发展2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。 Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。3.1.4 PROTEL99 SE软件特色Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；专家导航帮您解决信号完整性问题。3.2实际操作生成原理图3.2.1 新建原理图设计文件 1.双击Protel99 SE图标，点击File(文件)中new项，新建设计数据库文件为“MyDesign.ddb”如图3-1 所示，以便日后方便管理，然后点击OK即可。再点击File(文件)中new 在New Document中双击Schematic Document 项创建电路原理图文件“电路设计.Sch”。如图3-1 所示。图3-10 新建原理图2输入元件原理图符号库 单击浏览器中 Browse 栏的dd/Remove按钮，此时系统将弹出元件原