电容式微位移测量仪的设计

哈尔滨理工大学学士学位论文电容式微位移测量仪的设计摘 要在工业计量中有很多需要检测的参数与位移量的变化有关，如力、流量、温度、速度、振动、密度、粘度等。所以位移的测量在工业甚至其他一些领域显得尤为重要，而电容测微仪作为一种非接触式的，能够精确测量微小相对位移、微振动和微小尺寸的仪器，具有温度稳定性好、测量范围大、测量精度高、动态响应好、结构简单等一系列优点，它的相对变化量大，能在特殊环境下工作，如在强光照射下、在核辐射条件、过载冲击震动环境等。所以在航空、航天、工业生产加工、超精密测量等领域中具有广泛应用。本文对电容测微仪的工作原理做了系统地、详尽地论述，并在此基础上，设计了以运算放大检测法为基础的测量电路，完成了硬件系统总体结构的研制，系统各个结构部分电路图设计及过程介绍。随后将通过传感器由位移量转化而成的电容量输出并转化成电压量；然后选用MAX1166作为将模拟量转换为数字量的A/D转换器，最后采用单片机C8051F020对测量系统进行单片机软件控制，实现了数据的采集和滤波、键盘参数设置、数据显示等。最后完成本次设计。关键词电容传感器； 微位移测量； 运算放大器检测The design of Capacitive micro-displacement measurement instrumentAbstractThere are many in the industrial measurement and the need to detect the parameters related to changes in the amount of displacement, such as power, flow, temperature, speed, vibration, density, viscosity. So the measurement of displacement and some other industrial areas is particularly important, which capacitance micrometer as a non-contact precision measurement of small relative displacement. And the small size of micro-vibration apparatus, with temperature stability, wide measurement range, high accuracy, good dynamic response, simple structure and a series of advantages, it is the relative change in volume, can be used in special circumstances, such as in aviation, in bright light, the radiation conditions, overload shock and vibration environment. In this paper, capacitance micrometer works and its key technology to do a systematic and detailed exposition. On this basis, the design of the operational amplifier detection method based on measuring circuit, the completion of the hardware systems architecture development, system circuit design of various structural elements and operating principle and process introduction. Then transformed by the displacement sensor made by the capacitance into a voltage output and capacity; then use MAX1166 as the analog to digital conversion of the AD converter. Finally, we use single-chip microcontroller C8051F020 measurement system software control to achieve the data collection and filtering, keyboard parameter setting, data display. Finally, complete this design.Keywords Capacitance sensor; Micro-displacement measurement; Operational amplifier examines不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景目的与意义11.2 国内外研究现状及发展11.3 课题研究的主要内容41.4 文章结构4第2章 电容式测微仪的测量原理52.1 基本测量原理52.1.1 平行板电容传感器52.1.2 电容式位移传感器62.1.3 传感器等效电路82.2 电容测微的实现82.3 本章小结10第3章 硬件系统设计113.1 硬件总体设计113.2 信号转换电路113.2.1 标准参比电容133.2.2 稳幅正弦波激励源电路的设计133.2.3 主放大器的设计143.2.4 整流滤波部分电路的设计153.3 A/D转换器及其应用173.4 单片机设计203.4.1 单片机的选择213.4.2 C8051F020总体介绍213.4.3 C8051F020功能与资源介绍213.4.4 C8051F020的特点223.4.5 稳压电源的设计233.5 本章小结24第4章 软件系统设计254.1 主程序设计254.2 初始化和自检274.3 数据采集和滤波274.4 键盘和显示294.5 本章小结29结论30致谢31参考文献32附录A33附录B 英文原文34附录C 中文翻译57千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题研究的背景目的与意义随着科学技术的发展，工业生产需要人们对微位移测量的精度和定位的精度提出更高的要求。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。而电容测微技术作为非接触式测量微位移的重要手段，具有温度稳定性好、测量范围大、测量精度高、动态响应好、结构简单、稳定可靠、使用方便，并可实现无接触式测量等一系列优点，特别适宜动态、在线检测，并能在特殊环境下工作特别是随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使电容传感器扬长避短，使电容传感器成为一种很有发展前途的传感器，近年来得到了大范围的研究和推广，广泛应用于航天航空技术、精密机械加工以及其他工业测控领域中，主要用来测量各种介质的薄膜厚度、金属微变、微小相对位移、微小孔径及各种截面的形状误差等。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1。该测量仪器对工业计量中的很多被测参数都可以进行测量。在冶金工业中，可以对金属制板厚度进行了测量；机械加工行业中，轴系晃动量的测量、机械零部件的表面粗糙度测量、孔径测量、圆柱度测量、不圆度测量、三座标测量机检测上应用；农业用塑料薄膜厚度检测、轴向柱塞泵体油膜厚度测量；国防工业用气体动压轴承测量、气浮陀螺测量；石油工业中石油密度测量；化学工业中镀层厚度测量。另外还有环境介质检测、电机转速测量、钢管直径测量、光盘平面度检测、磁盘动平衡测量、金属线膨胀系数测量等。针对不同的工业计量中的检测参数，经变换和不断的改进更新达到实现测量和控制操作的目的2。电容测微技术有着广泛的应用前景，发展更高精度、高分辨力和稳定性的电容位移传感器有着现实意义。1.2 国内外研究现状及发展作为电容测微技术的关键，电容传感器是将被测非电量的变化变换成电容量变化的一种传感器，它与常规的光电传感器、电阻式、电感式传感器相比有如下优点：1输入能量极低，需要非常小的输入。由于带电极板间静电引力很小，约到10-5N量级，因此它特别适用于解决输入能量低的测量问题，如微小位移和微小压力变化的精密测量。2可以获得较大的相对变化量。如对金属应变传感器来说，由于应变极限的限制，一般低于1%，数值很小。而对于电容式传感器，电容相对变化量只受到线性和其他实际条件的限制，若采用高线性电路时，其可达到100%或更大，这就可大大提高传感器的输出信号。3温度稳定性好。电容传感器的电容值一般与电极材料无关，取决于几何尺寸，只从强度、温度系数、抗蠕变能力等机械特性考虑，有利于选择温度系数低的材料，因其本身发热极小，影响稳定性甚微。4结构简单，适应性强。电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做的非常小巧，以实现某些特殊的测量，能在特殊条件下工作。电容式传感器一般用金属作为电极，以无机材料交玻璃、石英、陶瓷等作为绝缘支撑，基本上不需要使用有机材料或磁性材料，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化和各种形式的强辐射，并能承受系统中高压力以及很高的冲击和过载，特别适用于高压和超低压差测量，也可对带磁工件进行测量。5动态响应好。电容传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几个10-5N)，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分质量可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，可以在数兆(04MHz)载频下工作，动态响应时间短，特别适应于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高的频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。6电容式传感器内外摩擦误差很小，大多数其他传感器由于机械部分或磁路部分原因，都存在些内部摩擦力，这类误差很难消除。而电容传感器尤其作为位移测量时是非接触的，不损伤被测表面，且具有平均效应，可以减小由于传感器极板加工过程中局部误差较大而对整体测量精度的影响。电容式传感器也存在一些如下问题：1输出阻抗高，负载能力差。电容传感器的容量由于受到其电极的几何尺寸等限制，易受外部干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施。2寄生电容影响大。电容传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及电容传感器内极板与周围导体构成的电容等寄生电容却较大，这不仅仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容常常是随机变化的，使仪器工作很不稳定，影响测量精度因此，电容传感器对电缆的选择、安装、接法等都有要求。3非线性的输出特性。引起非线性主要原因是测量方法上存在非线性，如改变极板间距离的电容传感器，电容量的变化与极板间距是非线性关系，即使用差动式结构可以改善特性的线性度，但由于漏电容影响，也不能完全消除其非线性。基于以上特点，电容式传感器利用改变电容极板间距或改变极板面积来实现对微小位移、压力，微振动等参数的测量，也可以用改变介质的介电常数方法来检测料位和板材厚度等。随着科学技术和工业技术的不断发展，电容传感器所存在的问题也不断获得解决，使其稳定性和精度不断提高，应用范围不断扩大，尤其表现在动态测量、低压测量和一些特殊测量等方面4。早在1910年就已经开始用电容器原理来进行微位移的测量3。但是在很长的一段时间内电容式并没有被推广，主要由于在连接电路上分布电容的存在，同时电子电路也比较复杂。近年来，由于高精度位移测量和非接触表面测量的必要性日益增长，推动了位移与应变测量技术的研究。伴随着电子学和集成工艺的迅速发展，特别是驱动电缆技术的出现，使得电容位移传感器存在分布电容大及非线性等缺点不断得到克服，其优点被突出地显露出来，使其有了更为广阔的应用领域，特别是一些高精度、高稳定性测微场合中得到了广泛应用。目前，作为电容式测微仪的核心，发展的较为成熟、应用较为广泛的转换电路形式有调频式、运算放大式、脉冲调宽式和AC桥路法等；按结构形式分类，电容位移传感器可以分为，变极距型、变面积型和变介质常数型等。变面积型电容传感器可以测量较大的位移，量程为零点几毫米至几毫米之间，线性度优于0.5%，分辨力为0.010.001mm。变极距型电容传感器主要适用于较小位移的测量量程在0.01mm至几百微米，精度可达到0.01mm以内，分辨力可以达到0.001mm以内。其中最基本的是平面变极距型，主要用于精密测量、精密定位等。电容测微仪可以测量一般的长度，也可测量振动、压力、介质的温度等多种参数。它既可以进行静态测量，也可以进行动态测量；据目前相关材料看，电容测微仪的分辨力可以达到1nm0.1nm，用于测量微位移及微小尺寸的系统精度能达到10nm左右，测量压力及压差的系统精度达到帕级，此外测量振动、薄膜厚度及液位的仪器均得到成功的应用，特别是近年来出现的成功应用电容测微仪技术测量盲小孔和微孔直径。现在电容测微仪的主要生产厂家有天津大学精仪学院，英国Queensgate Instrument公司，美国Wanye Kerr公司等411。国外对其研究较早，技术也较国内成熟。尤其是在欧美国家已将高精度的电容位移传感器产品化。其中，美国Micro-Trak公司生产的AS-5000电容传感器在量程为0.254mm时，分辨力可以达到0.0016mm，线性度为0.1%；德国PI公司生产的D-100型电容位移传感器在分辨力上能达到0.01nm；Morgan等人利用差动电容原理设计的微位移测量仪，在2.5mm的量程上，测量精度优于0.01mm4。在国内方面，各大研究机构、测量仪器公司以及高校也纷纷投入大量的资金和人力致力于高精度微位移测量仪器的研究。我国于70年代初期开始这方面的研究5，在现代化建设的过程中发现测微技术越来越成为科学技术发展的制约因素，所以“863规划”和“十一五计划”都把测微技术和微加工技术列为重点的科技攻关项目。并于1976年由天津大学研制成功了首台电容位移传感器。目前天津大学精仪学院及北京密云机床研究所两家有电容位移传感器的成型产品。其中，天津大学应用运算放大器法研制并生产的JDC系列电容测微仪6，已逐渐形成了系列化和产品化。JDC电容测微仪，在0.1mm量程范围内的分辨力可以达到0.01mm，线性度为0.5%；北京密云机床研究所应用调频法研制的DWS型电容位移传感器，实现了在3mm的测量范围内，分辨力2nm，非线性度小于1%7。1.3 课题研究的主要内容在电容微位移测量中，电容位移传感器对微位移的测量越精确、响应速度越快、非线性越小，整体性能就越好。首先由传感器感受微位移的变化，并将其转换成电容量的变化，然后经过信号转换电路将电容量的变化转换成可测的电压信号，然后利用A/D转换器实现信号的采集，由单片机进行信号的处理和传输。最终实时显示，并进行线性拟合给出相关数据。本文以电容式微位移传感器为基础，利用运算放大器测量电路原理，当恒定频率的正弦激励电流通过传感器电容时，传感器上产生的电压幅值与电容极板间隙成比例关系。主放大器具有高输入阻抗，保证足够大的开环增益以实现高精度运算，其输出为一调幅波，幅值的变化与被测位移变化一一对应。通过全波整流电路、增益滤波电路对放大的被测信号进行解调，最后进入A/D转换进行数据处理，在单片机的控制下完成数据的显示等过程，提高了输出信号的抗干扰性。1.4 文章结构本文的结构如下：第1章，介绍课题研究的背景目的与意义及其国内外的研究现状和发展前景，概括了课题研究的主要内容。第2章，介绍电容式测微仪的测量原理，包括电容位移传感器信号转换电路：电桥电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路和调频电路。第3章，硬件系统总体结构的研制，系统各个结构部分电路图设计及工作原理及过程介绍，包括选择信号转换电路，稳幅正弦波激励源电路、主放大器、整流滤波部分电路的设计。介绍了所选用的MAX1166及C8051F020的特点及应用。第4章，软件系统总体结构的设计，各个重点子程序的流程图及其功能介绍，包括主程序、系统的初始化及自检、数据采集和滤波、键盘及显示等重要部分程序流程图的设计。第2章 电容式测微仪的测量原理2.1 基本测量原理电容传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器，由上一章可知，它有独特的优点，结构简单、高分辨力、可非接触测量、并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。非接触式电容传感器的种类非常多，以传感器结构形式分为平面型、球面型和圆柱型，又以平面型最为简单。以传感器参数变化形式分为变间隙型、变面积型和变介电常数型，其中变间隙型传感器最为简单。一般的说，最基本最典型的类型为平面变间隙式电容传感器，它的应用最多。2.1.1 平行板电容传感器图2-1是以空气为介质，两个平行的平面金属板构成的平行板电容。当不考虑边缘电场影响时，其电容量为： (2-1)式(2-1)中，为电容极板间介质的介电常数，其中。为真空介电常数(=)，为极板间介质的相对介电常数，A为两极板所覆盖的面积，h为两平行极板之间的距离。图2-1平行板电容如果将上极板1固定，下极板2与被测物体相连，当被测运动物体做上、下位移(即h变化)或左、右位移(即A变化)时，将引起电容量的变化，通过测量电路可将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出，根据输出信号的大小，可测定运动物体位移的大小，这样实现了微位移、微小尺寸及振动的测量如果两极板固定不动，极板间的介质参数发生变化，也会引起电容量的变化，利用这一点，可用来测定介质的各种状态参数，如介质的湿度、密度、厚度等。可知，若被测物理量的变化使式中、A和h三个参量中任一参数发生改变并引起电容量的变化，通过测量电路，可以根据输出信号的大小，来测定被测物理量。传感器也由此衍生出变极距型、变面积型和变介电常数型等多种变化形式。2.1.2 电容式位移传感器电容式传感器根据工作原理不同，可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。这里我们用的是变极距型电容位移传感器。变极距型平板电容位移传感器应用较为广泛，主要用于测量微小位移变化，其原理图如图2-1所示。其中1为固定极板，2为可动极板，当动片2因被测量变化引起移动时，就改变了两极板间的距离h，从而改变了电容量。设初始极距为，极板面积为A，则电容初始值为： (2-2)由式(2-2)可知，极板间电容C与极板间距离乃是成反比的双曲线关系，见图2-2。图2-2板间电容与极板间距的曲线关系当动极板2因被测量变化而向上移动时，使减小时，则电容C变为： (2-3)电容相对变化量： (2-4)由式(2-4)知，C与不是线性关系，即传感器输出特性是非线性的，如图2-3所示。图2-3传感器输出特性由于这种传感器的非线性，所以在工作时，一般动极片不能在整个间隙范围内变化，而是限制于一个较小的范围内，以使与的关系近似于线性。但是，若 远小于1(一般为)时，上式按级数展开成： (2-5)略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为： (2-6) (2-7)如果考虑式中的线性项及二次项，则： (2-8)式(2-6)的特性如图2-3中的直线1，而式(2-8)的特性如曲线2。电容式位移传感器是一种以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器。作为一种非接触式精密测量仪器，电容微位移传感器测量范围大、结构简单、稳定可靠、使用方便。由于这种电容传感器的电极所产生的电场呈散射状6，运用传统的电磁场理论很难得到精确的解析解，给传感器的设计及性能优化带来很大困难。不同的复杂电极参数也会对传感器特性有不同的影响。具体结论如下：1随着电极间隙的增加，传感器量程增大但其灵敏度减小。2同一间隙下，双叉指型电极传感器的量程和灵敏度指标都比早字型传感器高。3对于6种不同参数的传感器，其灵敏场分布不均匀，都呈分段线性的关系，被测物距离越近，传感器灵敏度越高。2.1.3 传感器等效电路节2.1.2对变极距型平板电容传感器的特性所进行的分析，是在纯电容的条件下进行的，这在可忽略传感器附加损耗的情况下是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励条件下工作，而不能忽略其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图2-4所示。图2-4等效电路图2-4中C是传感器电容，是低频损耗并联电阻，它包括电极间直流电阻和电极带电时绝缘体及气隙中介质损耗。串联电感L表示传感器接线端之间传输回路总电感，如用电缆与传感器相连，则五包括了电缆的电感。串联电阻表示引线电阻，金属接线电阻及电容器极板的电阻由图2-4可知等效阻抗为： (2-9)式中是回路激励电源角频率。由于传感器并联电阻很大，即远大于1，上式可简化为： (2-10)由此可得到其等效电容： (2-11)2.2 电容测微的实现目前，技术比较成熟、应用比较广泛的电容位移传感器信号转换电路主要有：电桥电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路和调频电路。1电桥电路在工作频率较低的情况下，最常采用的是电桥电路即AC桥路法实现电容变化的精确测量。采用AC桥路测量技术，通过选用精密的电子元件，可以测量到小于的电容变化值。AC桥路的优点是选用器件少，电路简单，易于小型化。缺点是远离平衡位置时非线性较大；输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压很低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路；电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施。AC桥路广泛应用于各种精密测量仪器当中。英国Queensgate仪器有限公司应用此种方法研制出纳米级的电容传感器，并与压电装置结合制造出纳米级定位精度的多轴定位控制器。以其NXB系列电容传感器为例，初始间隙为100mm，初始电容为l0pF，测头直径为12mm，分辨力优于0.1nm，非线性度不超过0.01%。此种传感器为双电极测头，实现电容极板双端浮地，其电极面积大，不适合进行形位测量，只适合微小位移测量和做监控用11。2差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路适用于差动式电容传感器，具有理论上的线性特性。电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等，对元件无线性要求，经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。但是测量精度低，在高精度测量中基本很少采用。3运算放大器式电路运算放大器式电路是将被测电容作为反馈元件接入运算放大器电路中，电路反馈系数由被测电容和一个参考电容的比值来确定。这种转换电路的优点是：在放大器输入阻抗足够大的前提下能够消除变极距型电容传感器的位移-电容的非线性特性。但是由于此种方法测量的是电容的绝对变化量，因此对参考电容的特性要求非常严格。天津大学应用此种方法，对电容传感器作了大量的研究，并提出应用驱动电缆技术，实现电缆屏蔽层的电位对与电缆相连的传感器电容极板的电位(包括幅值和相角)的完全跟踪，以削弱杂散电容影响17。为此，在电容测头外面要增加保护环，有时为了满足测量要求，还可考虑增加第二级保护环。但是，由于驱动电缆的不完善，不可能实现电位的完全跟踪，因而测量中还不能够将测量电容和杂散电容完全分开，而且驱动电缆的电路结构比较复杂，尤其是对放大器的要求极高，至今还没有制造出纳米精度的电容传感器。4调频电路调频电路是将电容传感器放到LC或RC振荡的谐振回路中，作为回路的一部分，通常采用的电路形式是LC振荡型。当被测电容发生变化时，LC振荡电路的振荡频率将随之变化，通过鉴频电路或计数电路将信号的频率变化量检测出来即可得到被测电容的变化。调频电路还可以采用超外差变换调理方式，即电容传感器对前级振荡器的频率进行调制，然后将此信号与一个和前振中心频率有一定频差的固定频率信号进行混频，通过选频电路将差频检出，对此差频信号进行监频或计数，即可得到被测电容的变化。这样做可以使LC振荡电路工作在较高的频率下，从而使系统具有较高的灵敏度。此外，调频电路实现的电容传感器无需另加浮地极板，将被检测件接地作为极板即可，非常适合做小孔孔径的高精度测量。调频电路具有抗电磁干扰能力强、便于信号传输、输出易于数字化及灵敏度较高的优点。主要存在的问题是输出非线性较大，需要进行非线性校正。目前，成品化的采用调频式电路的电容传感器已可达到2nm分辨力。国内以北京机床研究所研制DWS和DWY型超精密振动、位移测量仪最具代表性。以DWS为例，在3mm的测量范围内，分辨力可达到2nm，非线性度小于0.1%。该机采用LC振荡电路，信号源的稳定性得到进一步提高16。2.3 本章小结本章主要介绍了电容式测微仪的测量原理。首先，作为电容式测微仪的基础，介绍了平板电容传感器和电容式位移传感器及其等效电路；其次，介绍了电容测微的几种实现方法，即电容位移传感器信号转换电路：电桥电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路和调频电路。第3章 硬件系统设计3.1 硬件总体设计本课题采用了电容传感器的运算式测量线路，正弦激励源电路、标准电容、传感器电容与主放大器一起组成了调幅比例运算电路。当被测参数变化使传感器的电容量发生变化时，电路输出的调幅信号的幅值亦随之变化，经过精密整流、滤波电路后，就得到了与被测参数变化相对应的电压信号。该信号随后被送至仪器的A/D转换环节，将模拟信号转换成数字信号以方便单片机系统进行数据的采集、处理，通过键盘显示器或微型打印机输出测量结果，或将测量结果发往机作后续的分析、处理。仪器的控制可以通过单片机系统的键盘显示器来实现。所以系统总体结构框图如图3-1所示。稳幅正弦激励源A/D转换单片机电容传感器信号调理电路稳压电源键盘与显示RS232图3-1系统硬件结构框图3.2 信号转换电路目前用于微位移测量的主要有电容式、电感式和新兴的光纤式，这三类传感器适用于不同的测量场合，在高精度微位移测量中，电容式测量得到广泛应用。与其他两种方式相比较，其具有如下优点：1结构简单，适应性强。2动态响应好。3可得到较大的相对变化量。4温度稳定性好。5可以实现非接触测量。由于电容式的这些良好性能，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，电容位移测量的发展以高精度、智能化、便携化和模块化为发展趋势和主流研究方向。目前，电容位移传感器作为一种电容式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14。而这种电容式测量方法常使用的检测方法是运算放大器检测法，这也是本文所采用的方法。电容式位移传感器的运算放大器检测法原理如图3-2所示。图3-2运算放大器检测法原理图传感器的测头和被测物体构成传感器电容的2个极板，为参考电容。等效杂散电容G分布在传感器电容的两端，电容传感器采用等位环技术和驱动电缆技术，降低到较小。运算放大器A的输入阻抗很高，增益很大，由于运算放大器A的反向输入端虚地，杂散电容C。两端相当于接地，对电路影响很小。为激励源电压，由电路原理，有： (3-1)可知，输出电压与动极板的位移成线性关系，从原理上解决了变间隙式电容式位移传感器输出特性的非线性问题。式(3-1)是在假设运算放大器开环增益和阻抗无穷大时得出，实际运算放大器不满足该条件，该方法存在一定的非线性误差。当增益和输入阻抗足够大时，这种误差相当小。因此，运算放大器检测方法的信号转换电路需要提高放大倍数，增大输入阻抗，使电路具有更高的分辨率和更小的非线性误差。电路框图如图3-3所示，正弦激励源信号施加于传感器，通过电容检测电路，将正比于极板间距变化的电压输出，通过精密全波整流电路、增益滤波电路，取出变化电压的直流分量，该直流分量正比于电容传感器极板间距。电路主要包括正弦激励源电路、电容检测电路、精密全波整流电路和增益滤波电路4大部分。稳幅环节参考电容正弦激励源电路传感电容电容检测电路全波整流增益滤波输出图3-3 信号转换电路框图3.2.1 标准参比电容标准参比电容的稳定性对仪器稳定性有着直接的影响，其容量一般为1pF，原电路一般选用高精密瓷介电容，但其温度漂移对稳定性影响很大，严重影响测量精度而通常电容的温度特性只能由制造电容的材料的特性近似确定。在实际应用中，标准参比电容依据材料功能具有正温度系数和负温度系数相当的两个1pF的电容并联而成，并联后利用导热硅胶封装在一个金属壳体内，壳体连接到传感器电缆的内屏蔽层78，实现屏蔽外界干扰，组成了一个温度系数近似为0的电容(一般皮法数量级)，这样保证的温度稳定性控制在10ppm/左右。电容传感器具有灵敏度高、不发热、容易实现无接触测量，并且极微小的距离变化就可以引起相当大的电容相对变化量传感器的设计与仪器的灵敏度、量程和线性度相关，电容传感器测头的理想状况是一个平板电容器，通常采用金属或合金制成，但金属或合金在温度发生变化时，体积发生变化。对于厚极板式的测头结构，径向变形反映为极板面积A的变化，轴向变形反映为极板间隙h的变化6。为了减小温度变形对测量的不利影响通常选用温度系数低的铁镍合金好，但加工困难。也可由其它材料覆盖一层金属制成，如在陶瓷上喷镀金属涂层，如银、铜等，这样电极可以做的很薄，可以有效地减小边缘效应。在设计传感器和测量夹具时，必须选用线膨胀系数较小的材料，如锢钢和微晶玻璃等，尽量满足仪器稳定性的要求。3.2.2 稳幅正弦波激励源电路的设计激励源电路作为交流载波信号，幅值、频率稳定性必须非常高，不能随负载和温度变化，传统的RC正弦波振荡器的频率、幅值稳定性都不理想，不满足高精度测量要求。因此，采用石英晶体提供频率稳定的载波信号，图3-4为输出频率为20kHz的正弦波激励源电路。有源晶振提供频率稳定的激励信号，设计电压反馈稳幅环节保持激励信号的幅值稳定，20kHz正弦激励，以降低电极阻抗，提高检测电路频响和提高精度。激励源电路如图3-4所示。图3-4正弦激励源原理电路晶振X1输出20kHz方波信号，分解成傅立叶级数为： (3-2)可见，方波信号中含有丰富高次谐波，方波信号通过，组成的低通滤波器，100kHz以上的高次谐波大大被削弱，再通过由运算放大器、双T型滤波器、和构成的选频放大电路选频，其电路的传递函数为： (3-3)取，则，选取合适的R和C值，产生幅值2.5V、频率20kHz的正弦激励信号。选用N沟道结型场效应管BF245A，工作在可变电阻区。相当于受栅源电压控制的可变电阻，调节电压反馈电路的反馈系数，稳定正弦激励源信号幅值。选取高速、低能耗的AD817。3.2.3 主放大器的设计由于电容传感器的电容很小，输出阻抗高，信号幅值小，所以主放大器的第一级采用具有结型场效应输入级的LF356做电压跟随器，利用LF356的输入阻抗高()，输入偏置电流极低(30200pA)、转换速率快(可达50V/ms)的特点。主放大器中运算放大器选用超低噪声、温漂小、高精度、宽频带的MAX437，进行两级放大，其温度漂移指标0.10.8 mV/，增益带宽GBW=60MHz。多级交流放大器的极间使用隔直流电容器，使前级因温漂造成的偏移不能传递到下一级并被逐级放大。在主放大器中加入了一些校正环节，实现对其幅频、相频特性作必要的补偿，这些校正环节需在电路实验中反复调试，保证整个闭环放大系统的动态精度和稳定性。主放大器电路如图3-5所示。在本测量系统的其他电路部分，也选用LF356做电压跟随器。图3-5主放大器电路3.2.4 整流滤波部分电路的设计图3-6精密全波整流电路线性精密整流是测微仪实现精密测量的一个重要的环节，通常由二极管构成的整流器，输出受到二极管内阻及开启电压等多种因素的影响很容易受到影响，尤其是温度的变化，将引起二极管内阻及开启电压的改变，导致输出不稳，这是不能精密整流的主要原因。图3-6为本课题设计的精密整流电路，由低温漂精密运放MAX427及外围元件组成，其中，等构成线性半波整流。当输入为正时，则导通，截止，此时输出为负；当输入为负时，则导通，截止，此时输出为零；所以这部分是半波整流。显然，都有开启电压和内阻，但是它们接在运算放大器反馈回路中，二极管受到运放的反馈作用输出几乎不受影响。若的开环增益为，则二极管引起变化小于，由，引起输出的变化可以忽略不计。后面的，等构成反向加法器，当严格的选择：=，=，在的输出端可得到全波输出，实现了输入信号的精密整流。当这些电阻的精度和关系未能严格保证，该电路最后输出的全波整流后测量信号波形有失真现象。低通滤波环节是影响解调电路乃至整个传感器系统动态特性的主要因素。它实现要滤除高频载波信号和其他一些高频干扰成分，也为系统提供必要的通频带。图3-7增益滤波电路增益滤波电路如图3-7所示。全波整流输出信号包括直流分量和基波、各次高阶谐波分量，直流分量幅值大小与电容传感器位移成正比。滤波电路需滤除电路中各次高阶谐波以及带宽以外的干扰信号，保留直流分量。经过前面精密整流后的信号，再经双T带阻网络滤除20kHz的载波信号，送入由MAX291组成的低通滤波电路滤除高频干扰成分，最后得到位移信号。有源滤波器采用MAIM公司的单片8阶椭圆函数开关式低通电容滤波器MAX291，通过调整其时钟频率，可在0.1Hz25kHz之间设置截止频率。时钟信号可从外部时钟或带外部电容的内部振荡器来驱动。改变外部时钟的频率，将可动态地调整滤波器的转折频率。使用内部振荡器时，CLK引脚上的电容()决定振荡器的频率，只需在其时钟输入对地端接入一个电容，该外接电容应选用漏电小，非极性的高质量电容，其电容值按下式计算： (3-4)式中的单位应为pF，为内部晶振频率，单位为kHz，此频率与滤波器的截止频之比为100:1。应该使在CLK引脚处的杂散电容最小，因为它会影响内部振荡器的频率。在实际测量中，被测振动的实际振动频率通常小于2kHz。初步确定截止频率为2kHz，外接时钟电容可由式计算出： (3-5)取=150pF，在实验中发现滤波效果较理想，并且该电路具有通带增益波动小，阻带衰减率大的特点，使信号的传输精度大大提高，稳定性增强。3.3 A/D转换器及其应用本课题所选用的MAX1166是一种16位的A/D转换器，它不仅具有分辨率高、转换速度快的特点，而且功耗低、体积小、接口方便、电路简单、动态特性良好。因而是电池供电的高精度数据采集系统的理想选择，具有广阔的应用前景。图3-8 MAX1166内部结构框图MAX1166是美国MAXM公司生产的逐次逼近型16位模数转换器，该芯片片内除集成了逐次逼近型ADC所必须的逐次逼近寄存器SAR、高精度比较器和控制逻辑外，还集成了时钟、4.096V精密参考源和接口电路，其内部结构框图如图3-8所示。MAX166的数据总线为8位，因此与目前广泛使用的8位微处理器连接非常方便810。MAX1166的典型参数如下：并行数据输出接口：8位采样频率：165ksps精度：最大线性误差LSB，16位无误码内部参考源电压：4.096V外部参考源电压输入范围：+3.85.25V模拟电压输入范围：+4.755.25V数字电压输入范围：+2.75.25V小电流：外部参考电流为1.8mA内部参考电源流为2.7mA采样率在10ksps时的外部参考电源电流为0.1mA采用20管脚TSSOP封装图3-9 MAX1166引脚图MAX1166共有20个引脚，图3-9为其引脚排列图，这些引脚大体可分为三类：第一类是电源类，其中模拟电源AVDD和数字电源DVDD应分别通过0.1mF的钽电容与模拟地和数字地相连接。而数字地DGND和模拟地AGND1、AGND2通常共地。第二类为模数信号类，其中AIN为模拟信号输入端；D0/D8D7/D15为数字量并行输出口。第三类是控制信号类，其中CS输入为转换启动端；R/C(输入)为读取结果/模数转换控制端；EOC(输出)用于指示转换结束；HBEN(输入)用来控制从总线读出的数据是转换结果的高字节还是低字节；REFADJ为参考电源选择端，该端通过0.1mF钽电容与模拟地相接时，选择内部参考电源模式；而当其直接与模拟电源相接时，选择外部参考电源模式；REF为参考电源输入/输出端，选择内部参考电源时，该脚应通过4.7mF钽电容接模拟地；而选择外部参考电源时，该脚为外部参考电源输入端15。MAX1166的一次转换过程可分为三个阶段，即转换准备阶段、模数转换阶段和转换结果输出阶段。图3-10为其转换时序图。图3-10 MAX1166转换时序图具体工作过程如下：首先将R/C管脚置低电平，然后在CS脚输入脉冲信号，MAX1166会在CS的第一个脉冲信号的下降沿进入工作状态；并在CS的第二个脉冲信号下降沿启动A/D转换。此脉冲信号的宽度最小应为40ns。转换过程中，EOC脚为高电平，并在经过约5ms转换完成后，EOC脚电平变低以指示转换完成。当EOC脚输出为低电平时，若将R/C脚置为高电平，系统将在CS的第三个脉冲的下降沿把转换结果输出到数据总线上。在数据转换过程中，通过检测EOC脚的输出电平即可判断数据的转换状态。当EOC输出为高电平时，表示数据转换仍在进行，此时不能读取数据；而当EOC输出为低电平时，表明数据转换已经结束，此时可以读取数据。设置并行数据输出选择位HBEN为高电平，可读取数据高8位；而设置HBEN为低电平则可读取数据低8位。MAX1166有两种工作模式，即稳定工作模式和低功耗工作模式。可由管脚R/C在CS第二个脉冲下降沿的状态来决定选择哪种工作模式，R/C 为低电平时，选择正常工作模式，为高电平时选择低功耗工作模式。MAX1166的总线接口为8位，该总线的接口速度相当快，可以和各种微处理器直接进行接口，因此MAX1166与8位微处理器的连接电路相对比较简单。图3-11是MAX1166和C8051的接口电路图。在图3-11中，由于单片机外围芯片仅有MAX1166，为简单起见，没有为之确定地址，即任意地址均可作为其地址。因为MAX1166的CS信号脉冲宽度要求最小为40ns，因此，对于单片机而言，只要对外部设备进行写操作，即会产生WR脉冲，其宽度为6个时钟周期。如果采用12MHz的晶振，其脉冲宽度为500ns，所以可以将单片机的WR信号作为MAX1166的CS输入信号。至于R/C 、EOC和HBEN等信号，只需连接到普通的锁存功能端口即可(如单片机的P1口)13。图3-11 MAX1166与C8051的接口电路图3.4 单片机设计近20年来，随着微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪表已经取得了巨大的进展，微处理器在测控系统、智能仪表和机电一体化产品中都得到了广泛的应用智能化的测量控制仪器仪表是传统的仪器仪表发展的必然方向，目前在测量控制仪表领域使用的最多的微处理器就是单片机。在实际的测控系统设计中，单纯依靠传感器以及检测电路还远达不到闭环控制的要求，而单片机系统因为体积小、灵活可靠、专用性强、价格便宜等特点，以单片机为主体取代传统仪器，仪表的常规电子线路，实现将计算技术与测量控制技术相结合，简化仪表电路，提高仪表的可靠性，降低成本，加快开发速度，并且可以通过软硬件的模块设计而灵活地改变仪器的功能，可以实现复杂的控制功能，并可以实现非线性误差的修正和标度变换等进行灵活的操作与控制，高性能的数据采集与处理等12。3.4.1 单片机的选择Cygnal公司推出的C8051单片机是目前功能最全、速度最快的8051衍生单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件，并能方便地通过数字交叉开关将内部数字系统资源分配到外部I/O口上；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。这些外设的高集成度为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，C8051单片机的整体性能超过很多8位和16位单片机，也使系统研发的整体成本大大降低11。本课题选用的单片机C8051F020是Cygnal公司最新推出的一种完全集成的混合信号系统级SOC单片机，具有低功耗、存储器容量大、速度高、精度高和高集程度，广泛应用于工业自动化和控制、测量仪表系统和医疗电子设备等场合。该芯片的原理框图如附录A所示16。3.4.2 C8051F020总体介绍Cygnal C8051F系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列(PC