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电容式位移传感器的设计

发布日期:2020-11-17 13:40

  课 程 设 计 设计名称: 专业班级: 姓 学 名: 号: 电容式位移传感器的设计_ __ ____________ _________ ______ 指导教师: xxxx 年 xx 月 目录 一、设计要求……………………………………………………………… 3 二、电容传感器工作特性…………………………………………………… 3 三、电容传感器的优缺点…………………………………………………… 3 四、基本原理……………………………………………………………… 3 五、设计分析……………………………………………………………… 4 六、消除和减少寄生电容的影响…………………………………………… 5 七、转换电路的设计……………………………………………………… 6 八、差动放大电路………………………………………………………… 8 九、相敏检波器系统工作及原理…………………………………………… 9 十、 心得体会……………………………………………………………… 11 十一、 参考文献…………………………………………………………… 12 十二、附录……………………………………………………………………13 1、设计要求: 设计差动变面积式电容位移传感器,要求规定的设计参数。 1、测量范围(mm):0~±1mm; 2、线、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,画 出结构示意图和测量电路图,并进行参数计算。利用参数和结构来选择合理的 方法消除或减少寄生电容的干扰影响。结合传感器实验平台,确定传感器的静态 灵敏度和线性范围,并设计电容传感器的电子秤应用实验。 2、电容传感器工作特性 电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。相对与其他传感器来说,电容式 传感器的温度稳定性好,其结构简单,易于制造,易于保证高的精度,能在高 温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣环境条件下工作,适应性强;它的静电 引力小,动态响应好,可用于测量高速变化的参数,如测量振动、瞬时压力等; 它能够实现非接触测量,在被测件不能受力,或高速运动,或表面不连接,或 表面不允许划伤等不允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任 务;当采用非接触测量时,电容传感器具有平均效应,可以减少工件表面粗糙 度等对测量的影响。 因其所需的输入力和输入能量极小, 因而可测极低的压力、 很小的加速度、位移等,由于在空气等介质中损耗小,采用差动结构并连接成 桥式电路时产生的零点残余电压极小,因此允许电路进行高倍率放大,使仪器 具有很高的灵敏度,分辨力高,能敏感0.01μm 至更小的位移。本课题采用差动 变面积式电容位移传感器,线性的反映电容和位移的变化关系。 3、电容传感器的优缺点 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。 2.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。 3.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。 4.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. 5.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: 1.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。 2.寄生电容影响大:传感器的初始电容很小,而传感器的引线m 导线pF)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。 4、基本原理 利用电容 C=εA/d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择 ε、A、 d 中三个参数中, 保持二个参数不变, 而只改变其中一个参数, 则可以有测谷物干燥度 (ε 变)、测位移(d 变)和测量液位(A 变 ) 等 多 种 电 容 传 感 器 。 本 实 验 采 用 的 传 感 器 为 圆 筒 式 变 面 积 差 动 结 构 的电容式位移传感器,如下图所 示: 它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为 R;圆柱的半径为 r;圆柱的长 为 x,则电容量为 C=ε2x/ln(R/r)。图中C1、C2是差动连接,当图中的圆柱产生?X 位移时,电容量的变化量为?C=C1-C2=ε2 2?X/ln(R/r),式中 ε2 、ln(R/r) 为常数,说明?C 与位移?X 成正比,配上配套测量电路就能测量位移。 5、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。 图1.差动电容简图 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。 圆柱式电容的计算公式为 C=2πεx/ ln(D/d) 式中:x 为内、外电极重叠部分的长度;D、d 分别为外电极内径与内电极外径。当 重叠部分长度 x 发生变化时,电容的变化量为 灵敏度为 K?ΔC/Δ x ?2πε /l n ( D / d ) 设计一个圆柱式差动变面积电容位移传感器测量大位移,可以测量0~±1mm 的 距离,传感器由两组定片盒一组动片组成。当动片上、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变化,成为差动电容。将上层定片 与动片形成的电容定位 Cx1, 下层定片与动片形成的电容定为 Cx2, Cx1和 Cx2 当 接入桥路作为相邻臂时, 桥路的输出电压与电容量的变化有关,即与动片的位移 有关。 6、消除和减少寄生电容的影响 在电容式传感器的设计中,受到结构尺寸的限制影响,其自身电容量都很小(几 皮法至十几皮法),属于小功率高阻抗原件,因此对寄生电容干扰非常敏感,并 且寄生电容与传感器的电容相并联,影响传感器灵敏度等硬性参数,而它的变化 则为虚假信号,影响仪器的精度。 传感器实用性的关键就是减小并消除寄生电容的影响。 1增加传感器初始电容值 采用减小极片或极筒间的间距,增加工作面积来增加电容初始值,单该方法收 加工及安装及装配工艺,精度,示值范围,击穿电压,结构条件因素限制。 2集成化 将传感器与测量电路本身或前置级装在一个壳体内,省去传感器的电缆引线。 这样,寄生电容大为减少而且固定不变,是仪器工作稳定,但这种传感器收高, 低温或环境差的影响。 3运算放大器法 利用运算放大器的虚地减少引线电缆寄生电容 Cl, 电容的传感器 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,这时与传感器电容 相串联的为等效电缆电容 Cp/(1+A),大大减少了电缆电容的影响,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,用来防止外来 电厂的干扰。若采用双层屏蔽层电缆,其外层屏蔽鞥接大地,干扰影响就更小。开 环放大倍数A 越 , 度 高 选 足 大 A 值以确保足够的测量精度。 大 精 越 。 择 够 的 4 采用“电缆驱动”技术 当电容式传感器的容值很小,而且因为某些原因,测量电路只能与传感器分开 时,可采用电缆驱动技术,即传感器与测量电路前置级间的引线为双层屏蔽电 缆,其内屏蔽层与信号传输线之间的电容。采用这种技术可是电缆线m 之远也不影响仪器的性能。 此外,还可以采用整体屏蔽法以及防止和减小外界干扰给仪器带来的误差和故 障 7、转换电路的设计 电容传感器可以把位移等被测量转换成电容量 C,电容传感器的电容变化量 通常非常小(一般为几十 PF),如此微小的电容量不便于直接测量和传输,因 此需要将电容量 C 进一步转换成易于数据处理的电压或电流信号, 将电容量转换 成电量的电路称作电容式传感器的转换电路,本文采用电桥电路作为转换电路。 电桥电路 电桥法转换电路主要有普通交流电桥电路、紧耦合电感臂电桥电路、变压器 式电桥电路和双 T 二极管电桥电路。 下图所示为双 T 二极管电桥电路原理图。其中,U0为高频电源,提供对称方 波 D1、D2是两个特性相同的二极管,R1和 R2是固定电阻,且 R1=R2=R,C1、C2为差动电 容传感器的两个差动电容 (对于单电容工作的传感器,可以选择其中之一为固定 电容,另一个为传感器电容)。 电路工作原理为:当电源 U0正半周时,二极管 D1导通,D2截止,电路可等效为下 图(a)所示电路,此时 C1充电,C2放电,流经 Rf 的电流 If 为电源 U0供电电流 If 和 C2放电电流 I2之和; 当电源 U0为负半周时 D1截止, 2导通, D 等效电路如下图 (b) ‘ 所示,此时 C1放电,C2充电,流经 Rf 的电流 If 为电源 U 供电电流 I2 和 C1放电电 流 I1’之和。 由于 D1、D2特性相同,且 R1=R2,因此当 C1=C2(即传感器极板位于中间位置,没有 位移输入)时,If 与 I1’的平均值大小相等,方向相反,在一个周期内流过 Rf 的 平均电流为零, Rf 上无电压输出; C1或 C2发生变化时, f 上平均电流不为零, 即 当 R 有电压输出,输出电压为 式4.3表明,该电路的灵敏度与电源电压 U0的幅值和频率 f 有关,因此,为保证 电路输出的稳定性,采用的电源需要同时稳频、稳压。该电路的最大优点是将 D1、D2、R1、R2安装在 C1、C2附近可以消除电缆寄生电容的影响,同时电路简单, 不需要附加其他相敏整流电路便可得到较高的输出电压。 该电路常用来测量高速 的机械运动。 8、差动放大电路 差动放大电路又叫差分电路, 他不仅能有效的放大直流信号, 而且能有效的 减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移,因而获得广泛的应 用。特别是大量的应用于集成运放电路,他常被用作多级放大器的前置级。 基本差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组 成,该电路的输入端是两个信号的输入,这两个信号的差值,为电路有效输入 信号,电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。设想这样一种情景,如果 存在干扰信号,会对两个输入信号产生相同的干扰,通过二者之差,干扰信号 的有效输入为零,这就达到了抗共模干扰的目的。 差动放大电路的基本形式对电路的要求是:两个电路的参数完全对称两个 管子的温度特性也完全对称。 差动放大电路的工作原理 当输入信号 Ui=0时,则两管的电流相等,两管的集点极电位也相等,所以 输出电压 UO=UO1-UO2=0。温度上升时,两管电流均增加,则集电极电位均下降, 由于它们处于同一温度环境,因此两管的电流和电压变化量均相等,其输出电 压仍然为零。差动放大电路的放大作用(输入信号有两种类型) (1)共模信号及共模电压的放大倍数 Auc 共模信号---在差动放大管 T1和 T2的基极接入幅度相等、极性相同的信号。 共模信号的作用,对两管的作用是同向的,将引起两管电流同量的增加,集电极 电位也同量减小, 因此两管集电极输出共模电压 UOC 为零。 于是差动电路对称时, 对共模信号的抑制能力强。 (2)差模信号及差模电压放大倍数 Aud 差模信号---在差动放大管 T1和 T2的基极分别加入幅度相等而极性相反的信号。 差模信号的作用,由于信号的极性相反,因此 T1管集电极电压下降,T2管的集 电极电压上升, 且二者的变化量的绝对值相等, 因此: 此时的两管基极的信号为: 所以: 由此我们可以看出差动电路的差模电压放大倍数等于单管电压的放大倍 , 数。 当对差动电路的两个输入端加上一对大小相等、相位相反的差膜信号,这事第 一个管的射级电流增大, 第二个管的射级电流减小, 且增大量和减小量时时相等。 另外,由于输入差膜信号,两管输出端电位变化时,一端升高。另一端则降低, 且升高量等于降低量。 差模放大器的放大倍数 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号 差模输入电阻 输出电阻 共模放大倍数 9、相敏检波器系统工作及原理 信号通道把输入的被测信号选频放大(初步滤除噪声)后,输给相敏检波的一 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 比为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他们的 相位差成正比。相敏检波器是相关检测的核心部件他决定了测试系统的准确度 以及弱信号的检测水平。它的作用有两个:一是抑制噪声,二是实现对正弦信 号或调幅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, 由于是基于频域相干检测原理, 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信号, 则首先必须调制成频域信 号, 才能进行后续的相关检测。) 电路结构 A1为零电压比较器;D 为检波二极管;3DJ7J 为场效应管电子开关; A2差动放大器,对信号进行放大与合成。A1、A2均采用具有双运放的集成芯片 LF353N 。 工作原理 参考信号 u r ( t) 经 A 1 和 D 组成的整形电路后的输出 u1 ( t) 是与被测信号 us ( t) 同频、同相,占空比1∶1 的方波。此方波信号是控制电路电流流通的开关, 为场效应管3DJ 7J 提供栅源偏置电压,控制电子开关的动作,决定场效应管漏 极信号 u3 ( t) 。 由场效应管工作原理知: 差放 A 2 对信号 us ( t) 和 u3 ( t) 进行合成,得到相敏检波器输出信号 u 0 ( t) , 其表达式为: 当场效应管截止时,运 放 A 2 工作在跟随状态;当场效应管导通时,A 2 工作 在反相放大状态。验证测量时取 Rf= R 4 。把式( 1) 代入式( 2) 中,得: 由式( 3) 知,从相敏检波器输出信号 u 0( t) 中得到了被测信号 us ( t) 。对上述 相敏检波器电路进行性能测试, 通过调整 R f 可以改变运放 A 2 对信号放大的幅 度,测试波形如图3 所示。对应图1, 再对 u 0 ( t)进行直流放大, 即可取其直流分 量 U 0 ,从而得到被测信号幅值 U s ( 因为在相关检测技术中,直流放大器包括 低通滤波器,它主要完成积分与缓变信号放大)。经实际验证,所设计的相敏检 波器电路达到了预期目的。 低通滤波器低通滤波器是容许低于截至频率的信号通过, 但高于截止频率的信号 不能通过的电子滤波装置。 理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号 无损通过, 而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减,从而在幅频特性曲 线上呈现矩形,故而也称为矩形滤波器。遗憾的是,36选7如此理想的特性是无法实现 的, 所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。根据所选的逼近函数 的不同,可以得到不同的响应。虽然逼近函数多种多样,但是考虑到实际电路的 使用需求, 我们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应”。“巴特沃斯 响应”带通滤波器具有平坦的响应特性, 而“切比雪夫响应”带通滤波器却具有 更陡的衰减特性。 所以具体选用何种特性, 需要根据电路或系统的具体要求而定。 但是, “切比雪夫响应”滤波器对于元件的变化最不敏感,而且兼具良好的选择 性与很好的驻波特性(位于通带的中部),所以在一般的应用中,推荐使用“切 比雪夫响应”滤波器。 原理图这是一个有源滤波器,需要加一个直流电压源,一般加-15V~+15V 有较好 的效果。 10、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。 11、 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 1 Res2 R K ? 1 Cap C 0 ? 0 p F U 电 十二附录:电路图 0 源 RV1 0.01uF C 3 1 Res2 R K 7 5 4 5 4 1 2 3 1 2 3 R 4 2 2 1 R 0 6 K A A 2 3 1 2 VEE 4 5 UO24 U3A R R 9 8 1 Res2 R 1 Res2 R K ? K ? 1 2 3 4 5 6 7 8 74LS270 U D D D D D D D D 1 7 6 5 4 3 2 1 0 V REF- REF+ O N U C T 1 9 1 1 【4】严钟豪,谭祖根。非电量电测技术。机械工业出版社 4 0 1 1 74HC04 U2A 2 2 R 2 R IN4001 D 0 2 0 1 1 IN4001 D 0 0 2 K K 3 C 3 C 0 2 0 1 p p F F