差动变面积式电容位移传感器设计

燕山大学课程设计说明书题目：差动变面积式电容位移传感器设计学院（系）:电气工程学院年级专业：学号：学生姓名：指导教师：提交日期：2012年1月6日

燕山大学《传感器原理与设计》任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：仪器科学与工程系学号090103020002学生姓名张晓丽专业（班级）09精仪1班设计题目具有长线补偿能力的直流放大器的称重传感器设计设计技术参数测量范围：-1mm〜+1mm线性度（％Fs）:0.5分辨率（印）:0.01灵敏度（PF/mm）：2.3设计要求理论设计方案及论证传感器结构设计、理论分析、参数计算测量电路设计、分析、参数计算寄生电容的干扰及消除绘出传感器的结构示意图和测量电路结合传感器试验平台，确定传感器的静态的灵敏度和线性范围。结合试验平台，设计电容传感器的电子秤应用试验提交课程设计说明书工作计划第一周：周1〜周2：收集消化资料及拟定设计方案周3〜周5：敏感元件、传感元件设计、转换电路设计第二周：周1〜周3：设计结果实验验证与演示。周4〜周5：撰写设计说明书，答辩。参考资料唐文彦《传感器》（第4版）机械工程出版社2007年李科杰《新编传感器技术手册》国防工业出版社2002年其他：传感器原理、接口电路、设计手册类参考书指导教师签字基层教学单位主任签字摘要差动式电容传感器灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效的改善高温等环境影响造成的误差，因而在许多测量场合中被广泛应用。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。本设计采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。因此，本设计中采用了运算放大器，相敏检波器，以及低通滤波器等电路设计，并对这些单元电路进行了原理分析，通过参数的确定，实现位移向电压的转变。在本次设计中还涉及了寄生电容的消除，以及测量过程中的误差分析，从而保证了测量的精度和准确度。目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 绪论 5\o"CurrentDocument"二、 方案设计 72.1设计分析 72.2设计思路 7\o"CurrentDocument"2.3差动变面积式电容位移传感器介绍 8\o"CurrentDocument"2.4差动变面积式电容位移传感器测量电路 9\o"CurrentDocument"2.5电容器的选择及参数设计 12\o"CurrentDocument"三、 寄生电容的消除 11\o"CurrentDocument"四、 单元电路的设计 14\o"CurrentDocument"4.1电桥电路的设计 144.2振荡电路的设计 174.3放大电路的设计 184.4相敏检波器的设计 204.5低通滤波器的设计 21\o"CurrentDocument"五、 误差分析 22\o"CurrentDocument"六、 心得体会 23\o"CurrentDocument"七、 参考文献 24一、绪论传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合性技术科学，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大的促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已经成为了测试测量中不可或缺的一部分。因此，学习、研究并在实践中运用传感器技术是具有重大意义的。本课程设计力图通过对常用传感器的设计运用，使我们更加深刻的认识理解并且运用传感器，并且将理论知识转化到实际运用方面，以培养我们学以致用的能力。电容传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。优点：1.其温度稳定性好：电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电机的几何尺寸和介质，且空气介质等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和结构尺寸即可，电容传感器工作室本身发热极小，影像稳定性甚微。结构简单且适应性强：电容传感器的结构简单，易于保证高的精度。一般用金属做电极，无机材料做绝缘支架，可以做得非常小巧。在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下都能正常工作。静电力小。忧郁极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引力或静电力矩。一般来说，这种景点引力是很小的，因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电考虑静电引力造成的测量误差。动态响应好：由于极板间的静电引力小，需要的作用能亮极小，因此其固有频率很高，动态响应时间短.可实现非接触测量并且有平均效应。在被测件不能受力或高速运动等不允许接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。但是电容式传感器的一些缺点也是不可忽视的：输出阻抗高并且负载能力差.电容式传感器的容量受其几何尺寸等限制，不易做的太大，使传感器的输出阻抗很高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取平屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗还要求传感器绝缘部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而映像仪器的性能，为此还要特别注意周围环境如湿度、清洁度等。若采取高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不宜保证工作的稳定性。寄生电容影响大：传感器的初始电容很小，而传感器的引线电缆电容（1~2m导线电缆电容可达800pF）测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度，另一方面这些电容常常是随机变化的，使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有严格的要求，例如采取屏蔽性好、自身分布电容小的导线作为引线，引线粗而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等，否则不能保证高的测量精度。二、方案设计2.1设计分析本文主要是设计差动变面积式电容位移传感器，以及测量电路的设计。利用电容式传感器非接触测量的特性，测量微小位移的变化，由于位移的变化引起电容的变化，将电容的变化量转换成电压的变化，由电压的变化测出位移的变化量。本设计主要目的是如何利用设计的差动变面积式位移传感器与转换原件，尽量消除外界干扰引起的误差，高精度测出位移的变化量。2.2设计思路电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。其总体原理框图如图2.3差动变面积式电容位移传感器介绍差动式电容传感器灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效的改善高温等环境影响造成的误差，因而在许多测量场合中被广泛应用。图1.差动电容简图图2电容式传感器等效电路图1为差动式圆柱形电容传感器的原理简图，此传感器由三个圆柱形电容极板组成，中间为气体介质，两两构成电容器。当中间的极板上下移动式，它与上下两个极板组成的电容器的面积就会改变，当中间电容极板向上移动时，与上边极板间面积增大，与下极板间面积减小；反之，当中间极板向下运动时，与上极板面积减小，与下极板间的面积增大。所以导致两个柱形电容总能保持一个增大一个减小的状态，由此构成了差动电容。柱形电容器的计算公式通常表示为：C=2n8H/ln(D/d)其中H为柱高，D为外半径，d为内半径，8为介电系数。如果用k=1/(4n80)表示，其中80为真空介电系数，则有8=8r80=8r/(4nk)。得：C=2n8rH/ln(D/d)=H/(2kln(D/d))其中8r为相对介电系数电容的变化量AC=Co-C=尹俱-罚Ln兰Ln—d d2n8L—xLnD/diz_AC= 2n8灵敏度：K—__―成前2.4差动变面积式电容位移传感器测量电路图一所示为差动电容式位移传感系统示意图包含转换电路和检测电路两部分。C1和C2为差动电容，与变压器复边组成转换电桥，用于提取位移信号。由振荡器提供高频交流正弦激励电压信号驱动此电桥，输出电压信号经运算放大器使其信号放大，提高了分辨力，再经相敏检波器进行整流将交流信号转变为直流，再经低通滤波器将信号输出。图3变压器电桥测试电路差动电容式传感器一般采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化，如图4所示。变压器淀桥的两个平衡臂是变压器的次级绕组，另外两个为差动电容传感器的电容。变压器电桥具有使用原件最少，桥路内阻最小的特点。电桥输出电压为C1 EE2C1 EC1-C2Uo=E -= -1= C1+C222C1+C2 2C1+C2EAC=ZPC=2nsrD//)ln(推出U=E第2a^Uo经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压Usc大小与位移成线性关系，其正负极性反映唯一的方向。2.5电容器的选择及参数设计根据C=2n4/Ln（D/d），当内圆筒电极发生x变化时，电八广一2nsAxtt—E△d容发生变化AC-_____U-____.灵敏度K=AC/X=2.3pF/mm根据灵敏度可计算D和d.（附注：为减少边缘效应的影响本设计中采用圆柱式变面积传感器）参数计算：C=2neL/Ln（D/d） £=£F80介质：空气（相对真空介电常数约等于1）外圆筒电极直径：D=内圆筒电极直径：d=4mXxK=AC/X=2.3pF/mm=-~~口、-"Ln（D/d）4经计算D/d=1.049三、寄生电容的消除电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容是随机变化的，使得仪器工作很不稳定，从而影响测量精度，甚至使传感器无法正常工作，所以必须设法消除寄生电容对电容传感器的影响。以下对消除电容传感器寄生电容的几种方法进行分析。增加初始电容值法采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。由公式C0=可知，采用减小极片或极筒间的间距d0,如平板式间距可减小为0.2毫米，圆筒式间距可减小为0.15毫米；或在两电极之间覆盖一层玻璃介质，用以提高相对介电常数，通过实验发现传感器的初始电容量C0不仅显著提高了，同时也防止了过载时两电极之间的短路；另外，增加工作面积A或工作长度也可增加初始电容值C0。不过，这种方法要受到加工工艺和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等的限制，一般电容的变化值在10-3〜103pF之间。整体屏蔽法屏蔽技术就是利用金属材料对于电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。根据电磁干扰的特点选择良好的低电阻导电材料或导磁材料，构成合适的屏蔽体。屏蔽体所起的作用好比是在一个等效电阻两端并联上一根短路线，当无用信号串入时直接通过短路线，对等效电阻无影响。整体屏蔽法是解决电容传感器寄生电容问题的很好的方法，其缺点就是使得结构变得比较复杂。集成法将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆，这样，寄生电容大为减小而且固定不变，使仪器工作稳定。但这种做法因电子元器件的存在而不能在高温或环境恶劣的地方使用。也可利用集成工艺，把传感器和调理电路集成于同一芯片，构成集成电容传感器。运算放大器驱动法利用运算放大器的虚地减小引线电缆寄生电容Cp。如图所示，电容传感器Cx的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/（1+A）,大大减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采取双屏蔽电缆，其外屏蔽层接大地，干扰影响就更小了。开环放大倍数A越大，精度越高。选择足够大的A值可保证所需的测量精度。图4.运算驱动放大器原理图采用“驱动电缆”技术当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因（如环境温度较高），测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”（双层屏蔽等位传输）技术，即传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线通过增益为1的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容，如图所示。采用这种技术可使电缆长达10m之远也不影响一起的性能。四、单元电路的设计4.1电桥电路的设计变压器电桥转换电路具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性等优点，但是也具有一些缺点，例如：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使增益放大器不能工作。电路原理图如图3所示。平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗无穷大时，流入工作臂的电流为1=ZT+ZZEEEZT-Z2Usc= Z2——= ZT+Z222ZT+Z2初始Z1=Z2=Z=Rs+jwL,故平衡时，Usc=0.双臂工作时，设Z1=Z-AZ,Z2=Z+AZ,相当于差动式自感传感器的衔铁向同一侧运动，则Usc=!xV2F同理反向移动时可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小相等、方向相反，即相位互差180度，可反映衔铁移动的方向。但是，为了判别交流信号的相位，絮接入专门的相敏检波电路。图5.变压器电桥原理图C1、C2为电容式传感器的电容。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为：UZ2-Z1U0=一r.一2Z2十Z1一….cUn-UC1-C2

以Z1=1/jwc1,Z2=1/jwc2带入到。0=2乙Vu乙IVu-L可得TTUAdUo=4.2振荡电路的设计多谐振荡电路是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动的产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又将矩形波振荡器称为多谐振荡器。图6.对称式多谐振荡器图为对称式多谐振荡器的电路图，由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成，通常令C1=C2,R1=R2=Rf。为了使静态时反相器工作在转折区，具有较强的放大能力，应满足Roff<Rf<Ron的条件。工作原理假定接通电源后，由于某种原因使ui1有微小正跳变，则必然会引起如下的反馈过程：使Uo1迅速跳变为低电平、Uo2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。以后，uo2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使ui1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程：使uo2迅速跳变为低电平、uo1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。此后，C1放电、C2充电，C2充电使ui1上升，会引起有一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。这样，周而复始，电路不停的在两个暂稳态之间震荡，输出端产生了矩形脉冲。(2)参数设计：电源电压可选择 U=6V振荡周期TR1.4RfC当取Rf=1KQC=0.1uF时，TR1.4X104s振荡频率f=1=7-1kHz4.3放大电路的设计将运算放大器应用与电路的最大特点是能尽量克服电容式传感器中影响输出的非线性的因素，提高分辨率。使输出信号能与输入机械位移成线性关系。图为高频输入阻抗差分放大器，应用十分广泛，从仪器测量放大器，到特种测量放大电路，几乎都能见到其踪迹。图8.差分放大电路从图中可以看到A1、A2两个同相运放电路构成输入级，在与差分放大器A3串联组成三运放差分放大电路。电路中有关电阻保持严格对称，具有以下几个优点：A1和A2提高了差模信号与共模信号之比，即提高了信噪比；在保持有关电阻严格对称的条件下，各电阻阻值的误差对核电路的共模抑制比K没有影响；电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接近于零。因为电路中R1=R2、R3=R4、R5=R6，故可导出两级差模总增益为：A=♦-（匕+21＜］珞通常，第一级增益要尽量高，第二级增益一般为1~2倍，这里第一级选择100倍，第二级为1倍，则取R3=R4=R5=R6=10KQ，要求匹配好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在10KQ到几百KQ间选择。则”=»匕农1品先定Rp通常在1KQ~10KQ内。这里取Rp=1KQ,则可由上式求得Rl=99Rp/2=49.5KQ取标称值51KQ。通常Rs1=Rs2=510,用于保护运放输入级。A1和A2应选用低温飘、高K的运放，性能一致性要好。4.4相敏检波器的设计相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路，对两个信号之间的相位进行检波。工作原理如下：新号通道把输入的被测信号选频放大后，输给相敏检波器的一端；参考通道在参考信号的触发下，输出相位可调的、与输入信号同频的占空比1:1的方波；相敏检波器比较两路信号后输出直流信号；直流放大器经过低通滤波和进一步放大后输出直流信号，其幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例。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度以及弱信号检测水平。它的作用有两个：一是抑制噪声，二是实现对正弦信号或调频信号进行幅值和相位的检测。应当指出：相关检测用于测量深埋于噪声中的、微弱的频域信号，由于是基于频域相十检测原理，它处理的信号，必须是某一频率的周期函数。若原来的被测信号是缓变新号，则首先必须调制成频域信号，才能进行后续的相关检测。电路图如图所示：图9.相敏检波器从图中知道，用JFET做开关器件，当U3out>0时，其导通，U4A正极为0电位，信号从负极输入，放大倍数是-R11/R8=-1,此时，U1out>0;当U3out<0时，JFET截止，信号从正极输入，放大倍数是1，此时U1out<0。因此，相敏检波实现了信号的判别，只是与原信号相差一个负号。4.5低通滤波器的设计低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。由于经过相敏检波后的电压混有高频载波信号，所以需将其滤掉，又因为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号，所以选择反相一阶有源低通滤波器，这样就可以得到真正的反映原信号的直流输出。此次采用的低通滤波器截至频率为40HZ。电路图如图所示：图10.低通滤波器若取R10=1KQ，则由： =40Hz可解得C1=4uF，另2nR10C1外取R9=50Q，则此环节实现的放大倍数是-R10/R9=-20，则实现了放大倍数的另一及分配，也还原了原始信号的相位。五、误差分析测量系统的误差由方法误差、环境误差、装置误差、数据处理误差等几部分组成。也可分为固定误差和随机误差两大类。5.1固定误差固定误差指差动电容器结构所造成的误差，这是系统论证时要结合精度要求综合考虑的。系统一旦定下来这些因素一般不能改变。5.2电桥引起的非线性误差：由于对差动电容传感器的电容，电桥的非线性误差可以忽略，所以不影响本次设计。5.3相敏检波引起的误差相敏检波是将交流电压转换为直流电压，正确的相位关系如图a所示，当交流信号与输出信号不同步时其波形如图b所示。5.4对于如同工频等的干扰:我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通过高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改进。六、心得体会在传感器课程设计的两周里，虽然遇到过困难，但是最终看到自己的成果，还是很欣喜。这这期间，我去过图书馆翻书籍，也重修研究了教材上的理论知识。才发现很多书本上的知识掌握的还不是很牢固，在设计的过程中很多原理性的东西都理解的不够深刻，在遇到困难时，我才慢慢开始了追根溯源，从细微之处开始理解知识点，细节问题在设计终是非常重要的，我们要想有所成就就必须认真细心，多学多思，把理论知识与时间联系起来。此外，通过这次课设，我还体会到了工具的重要性，包括工具书和软件操作等方面。我们所掌握的知识不可能面面俱到，因而就必须要翻越文献资料，同时，具备较好的计算机水平也会给我们带来很大的方便，比如数学公式的编辑，各种计算符号的输入等，这对以后步入工作都会有很大的帮助。总之，本次课程设计加强了我对传感器的认识，更重要的是，它让我掌握了做设计应有的环节与步骤，真正提高了学以致用的能力。七、参考文献【1】赵燕。传感器原理及应用。北京大学出版社【2】张国雄。测控电路。机械工业出版社【3】康华光。模拟电子技术基础。机械工业出版社【4】严钟豪，谭祖根。非电量电测技术。机械工业出版社电容式传感器电子秤应用试验实验目的：了解差动式电容传感器的实际应用。实验原理：传感器由两定片和一组动片组成。当安装于横梁上的动片上下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应的变化，成为差动电容。设上层定片与动片形成电容为C1，下层定片与动片形成电容为C2，当将C1和C2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压Uo与电容量的变化有关，其关系为Uo=UifM（C1-C2）式中，S=xL,L为极板覆盖宽度，则AC=2HxL/d可得Uo=2UifM一（顼即输出电压值与动片位置成正比关系，而动片与横梁连在一起，通过给横梁施加压力，使其位移改变，从而达到改变动片位置的目的。所需单元及部件：振荡器、差动放大器、移相器、、相敏检波器、低通滤波器、V表、电桥、砝码、主副电源。有关旋钮的位置：音频振荡器5Kz、F/V表打到2V档。实验步骤：（1）按图接线，开启主副电源，利用示波器调节振荡器的幅度钮，使振荡器的输出为峰值2V。（2）将测量系统调零。将差动放大（+）（-）输入端与地短接，输出端与F/V表输入端Vi相连，开启主、副电源后调差放的调零旋钮使F/V表显示为零，然后关闭主副电源。（3） 适当调整差动放大器的放大倍数，使在秤生平台上放上数量的砝码时电压表指示不溢出。（4） 去掉砝码，必要的话将系统重新调零。然后逐个加上砝码，读出表头读数。记录实验数据，填入下表：质量（g）电压（V