差动变面积式电容位移传感器

燕山大学传感器设计规范题目名称：差动可变面积电容位移传感器班级级别：讲师：学生姓名：摘要差动变面积电容式位移传感器的设计需要特定的设计参数。1.测量范围(毫米):0 1毫米；2.线性度(% FS):0.5；3.决议(微米):0.01；4.灵敏度(PF/mm): 2.3。通过理论设计、结构设计、理论分析等过程，设计了传感器结构和测量电路，绘制了结构原理图和测量电路图，并进行了参数计算。利用参数和结构选择合理的方法来消除或减少寄生电容的干扰效应。结合传感器实验平台，确定了传感器的静态灵敏度和线性范围，设计了电容传感器的电子秤应用实验。内容电容式传感器的工作特性2.设计要求：三个设计原则：4.消除和减少寄生电容的影响五差分放大器电路六相灵敏探测器系统的工作原理7.试验设计八种体验九篇参考文献电容式传感器的工作特性电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。与其他传感器相比，电容式传感器具有良好的温度稳定性，结构简单，易于制造，高精度容易保证，对高温、低温、强辐射和强磁场等各种恶劣环境条件的工作适应性强。静电引力小，动态响应好，可用于测量振动、瞬时压力等高速变化的参数。它可以实现非接触测量，电容传感器可以在被测件不能受力、不能高速运动、表面不连接、表面不允许划伤等情况下完成测量任务。采用非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度对测量的影响。由于所需的最小输入力和能量、极低的压力、极小的加速度、位移等。可以测量。由于在空气和其他介质中的损耗很小，采用差分结构接入桥式电路时产生的零残余电压非常小，从而使电路能够进行高放大倍数放大，使仪器具有高灵敏度、高分辨率和对0.01m以下位移的灵敏度。本主题使用差分可变面积电容位移传感器，它线性反映了电容和位移之间的关系。2.设计要求：差动变面积电容式位移传感器的设计需要特定的设计参数。1.测量范围(毫米):0 1毫米；2.线性度(% FS):0.5；3.决议(微米):0.01；4.灵敏度(PF/mm):5.通过理论设计、结构设计、理论分析等过程设计传感器结构和测量电路，绘制结构原理图和测量电路图，并计算参数。利用参数和结构选择合理的方法来消除或减少寄生电容的干扰效应。结合传感器实验平台，确定了传感器的静态灵敏度和线性范围，设计了电容传感器的电子秤应用实验。三个设计原则：测量电路图电容设计圆柱形电容的计算公式是其中：x是内电极和外电极的重叠部分的长度；D和D分别是外电极的内径和内电极的外径。当重叠部分的长度x改变时，电容改变敏感性是设计了一种圆柱形差动变面积电容式位移传感器，可测量0 1 mm的大位移。该传感器由两套固定盒和一套活动件组成。当移动板上下改变位置时，移动板与两组静止板之间的重叠面积发生变化，电极间电容也相应变化，从而成为差分电容。由上固定板和移动板形成的电容位于Cx1，下固定板和移动板形成的电容被设置为Cx2。当Cx1和Cx2连接到网桥时差动电容传感器的变化是具有一个移动板和一个静止板的位移传感器的两倍。线性度应该提高，灵敏度应该灵敏度要求为2.3PF/mm，=8.85PF/mm，D/d=10.50。因此，我们可以使D=3.5mm毫米和d=0.348毫米4.消除和减少寄生电容的影响在电容式传感器的设计中，由于结构尺寸的限制，它们自身的电容非常小(几皮法到十几皮法)，属于低功率和高阻抗元件，因此它们对寄生电容干扰非常敏感，并且寄生电容与传感器的电容并联，影响传感器灵敏度等硬参数，而其变化是一个假信号，影响仪器的精度。传感器实用性的关键是减少和消除寄生电容的影响。1增加传感器的初始电容电容的初始值通过减小极片或极柱之间的间距和增加工作面积来增加。该方法仅受加工、安装和装配工艺、精度、指示范围、击穿电压和结构条件因素的限制。2整合传感器和测量电路本身或前级安装在一个外壳中，从而消除了传感器的电缆引线。这样，寄生电容大大降低并固定，这是仪器的稳定运行，但传感器受到高、低温或恶劣环境的影响。3运算放大器法运算放大器的虚地用于降低引线电缆的寄生电容C1，电容传感器Cx的一个电极通过电缆芯线连接到运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层连接到仪器。此时，等效电缆电容Cp/(1 A)与传感器电容串联，从而大大降低了电缆电容的影响，并且由于屏蔽层与仪器接地相连，外部干扰对芯线没有影响。传感器的另一个电极接地，以防止来自外国电厂的干扰。如果使用双层屏蔽电缆，其外屏蔽层接地，干扰效果较小。开环放大系数越大，精度越高。选择足够大的值以确保足够的测量精度。4“电缆驱动”技术当电容式传感器的电容值很小时，由于某种原因，测量电路只能与传感器分离，可以采用电缆驱动技术，即传感器与测量电路前级之间的导线为双层屏蔽电缆，内屏蔽层与信号传输线之间的电容。使用这种技术，10m的电缆长度不会影响仪器的性能。另外，可以采用整体屏蔽的方法来防止和减少外部干扰对仪器造成的误差和故障。五差分放大器电路差分放大器电路也称为差分通道。它不仅能有效放大DC信号，还能有效降低电源波动和晶体管随温度变化引起的零点漂移。因此，它得到了广泛的应用。特别是，它广泛用于集成运算放大器电路。它通常用作多级放大器的前置放大器。基本差分放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成，其输入是两个信号的输入，两个信号之差是电路的有效输入信号，电路的输出是两个输入信号之差的放大。想象这样一个场景，如果有干扰信号，它会对两个输入信号产生相同的干扰。通过两者的区别，干扰信号的有效输入为零，从而达到抗共模干扰的目的。差分放大器电路的基本形式要求两个电路的参数完全对称，两个管的温度特性也完全对称。差分放大电路的工作原理当输入信号Ui=0时，两个管的电流相等，并且两个管的集电极电势也相等，因此输出电压UO=U01-U02=0。当温度升高时，两根管子的电流具有相同幅度和极性的共模信号连接到差分放大管T1和T2的基极。共模信号对两个管的影响方向相同，这将导致两个管的电流增加相同的量，集电极电位减少相同的量，因此两个管的集电极输出的共模电压UOC为零。因此，当差分电路对称时，它具有很强的抑制共模信号的能力。(2)差模信号和差模电压放大系数Aud差模信号幅度相等、极性相反的信号分别加到差动放大管T1和T2的基极。对于差模信号的作用，由于信号的极性相反，T1管的集电极电压下降，T2管的集电极电压上升，两个变化的绝对值相等。因此，此时两个管座的信号是：所以，由此可见，差分电路的差模电压放大系数等于单管电压的放大系数。当具有相同大小和相反相位的一对差分膜信号被加到差分电路的两个输入端时，第一管的发射极电流增加，第二管的发射极电流减少，并且增加量和减少量总是相等的。此外，由于差分薄膜信号的输入，当两个管的输出端的电位改变时，一端上升。另一端减少，增加等于减少。差模放大器的放大这种方法适用于将差分信号转换为单端输出信号。差模输入电阻出端电阻共模放大系数六相灵敏探测器系统的工作原理信号通道选择并放大输入测量信号(主要是滤除噪声)，并将其发送到相位敏感检测的一端。在参考信号的触发下，参考通道输出一个相位可调的方波，占空比为1: 1，频率与输入信号相同；相敏检测器比较这两个信号并输出直流信号；经过低通滤波和进一步放大后，直流放大器输出一个DC信号，其幅度与两个输入信号的幅度及其相位差成正比。相敏检波器是相关检测的核心部件。它决定了测试系统的准确性和微弱信号的检测水平。它有两个功能：一是抑制噪声；另一种是检测正弦或调幅信号的振幅和相位。(应该指出，相关检测用于测量深埋在噪声中的弱频域信号。因为它是基于频域相干检测的原理，所以它处理的信号必须是某一频率的周期函数。如果原始测量信号是一个缓慢变化的信号，则必须先将其调制成频域信号，然后才能进行后续的相关检测。)电路结构A1是零电压比较器；d是检测二极管；3DJ7J是场效应晶体管电子开关。A2差分放大器放大和合成信号。A1和A2均采用集成芯片LF353N，内置双运算放大器。工作原理参考信号u r (t)经A 1和d整形后的输出u1 (t)是方波，其频率和相位与测量信号us (t)相同，占空比为1: 1。该方波信号是控制电路电流的开关，为场效应晶体管3DJ 7J提供栅源偏置电压，控制电子开关的操作，并确定场效应晶体管漏极信号u3 (t)。根据场效应管的工作原理：差分放大器A 2合成信号us (t)和u3 (t)以获得相位敏感检测器输出信号u 0 (t)，其表示如下：当场效应晶体管关断时，运算放大器A 2工作在以下状态。当场效应管导通时，A 2工作在反相放大状态。验证测量值时，取R f=R 4。将等式(1)代入等式(2)得到：从等式(3)，测量信号us (t)从相位敏感检测器输出信号u 0 (t)获得。测试上述相敏检测器电路的性能，通过调整r f可以改变运算放大器A 2的信号放大幅度。测试波形如图3所示。对应于图1，u 0 (t)的DC分量U 0可以由p获得低通滤波器低通滤波器是一种电子滤波装置，允许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过。理想的低通滤波器应该能够无损耗地通过截止频率以下的所有信号，并且截止频率以上的所有信号应该被无限衰减，从而在幅度-频率特性曲线上呈现矩形，这也被称为矩形滤波器。不幸的是，这样的理想特性无法实现。所有的设计都只是试图近似矩形滤波器的特性。根据选择的不同近似函数，可以得到不同的响应。尽管有许多近似函数，我们通常选择“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”来考虑实际电路要求。巴特沃兹响应带通滤波器具有平坦的响应特性，而切比雪夫响应带通滤波器具有陡峭的衰减特性。因此，要选择的具体特性取决于电路或系统的具体要求。然而，“切比雪夫响应”滤波器对元件变化最不敏感，并且具有良好的选择性和良好的驻波特性(位于通带的中间)。因此，建议在一般应用中使用“切比雪夫响应”滤波器。原理图这是一个有源滤波器，需要增加一个DC电压源。一般情况下，加入-15V 15V效果较好。电容式传感器电子秤的应用实验实际：电容传感器电子秤的设计与验证实际环境：示波器和CSY-910传感器测试仪：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表实际内部容积和超程：1.实验原理电容式传感器有多种形式。在这个仪器中，有一个微分可变面积类型。传感器由两组固定板和一组移动板组成。当安装在振动台上的移动板上下改变其位置时，移动板与两组静止板之间的重叠面积发生变化，电极间电容也相应变化，成为差动电容。例如，由上固定板和移动板形成的电容被设置为Cxl，由下固定板和移动板形成的电容被设置为Cx2。当Cxl和Cx2作为两个相邻的臂连接到电桥时，电桥的输出电压与电容的变化有关，即与振动台的位移有关。当差动电容应用于电子秤时，差动电容可以连接到电子秤，得到电子秤受力时的力-位移关系，得到电子秤的力和电容之间的变化关系。电容的变化可以通过改变电压表的指示数来获得，进而可以获得电子秤所受的力。2.旋钮的初始位置差分放大器增益旋钮放在中间，F/V表放在2V档。3.实验步骤(1)根据图纸布线。(2)将F/V表调至20V，并将千分尺调至零输出。(3)转动测微头，每次转动0.1毫米，记下测微头和电压表的读数，直到电容器移动板和上(或下)静止板的覆盖面积最大。x(毫米)14.4014.3014.2014.1014点V(mv)-2.20-2.83-3.39-3.91-4.45x(毫米)13.9013.8013.7013.6013.50V(mv)-5.12-5.74-6.24-6.85-7.40x(毫米)13.4013.3013.2013.1013点V(mv)-8.01-8.5