电容位移word版Word格式文档下载.docx

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第1章数字式电容式位移测量仪的原理介绍2

1.1电容传感器的原理2

1.1.1变极距型电容传感器3

1.1.2变面积型电容传感器4

1.1.3电容式角位移传感器4

1.1.4变介电常数型电容式传感器5

1.2电容位移传感器测量方法对比6

1.2.1运算放大器式电路7

1.2.2差动脉冲调宽电路8

1.2.3调频电路10

1.2.4二极管双T型电路10

1.2.5AC桥路式测量电路11

1.3电容式传感器的特点及发展趋势12

1.3.1电容传感器的特点12

1.3.2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15

2.1测量电路的设计15

2.1.1单片机最小系统15

2.1.2stc89c51引脚功能介绍16

2.1.3电平转换电路18

2.1.4按键及电源接口电路的设计19

2.2电容传感器的电路设计20

2.2.1检测电路的设计20

2.2.2555定时器的介绍23

2.3显示电路的设计24

2.3.1CD4511介绍25

2.4单片机软件设计26

第三章PROTEL99SE制作电路板30

3.1PROTEL99SE30

3.1.1PROTEL99SE简介30

3.1.2Protel99SE软件的一些使用方法30

3.1.3PROTEL99SE软件的发展32

3.1.4PROTEL99SE软件特色32

3.2实际操作生成原理图33

3.2.1新建原理图设计文件33

3.2.2ERC检测及元件清单生成34

3.3制作PCB图35

3.3.1生成网络表35

3.3.2网络表与元件的装入36

3.4实际电路调试38

结论39

参考文献40

致谢42

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；

ε——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ε、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θ=0时

（1-8）

图1-4电容式角位移传感器

当θ≠0时

（1-9）

传感器电容量C与角位移θ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C1≠C2时，若C1>

C2,则充放电时间常数T1>

T2。

如图1-8（b），UAB为不等宽矩形波，平均输出电压UAB≠0，经低通滤波后，可输出直流电压。

图1-8波形图

①

，

───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：

②

当R1=R2=R时，②式代入①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=εA/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，△C≠0，此时频率为f，

（1-22）

具有较高的灵敏度，可测至0.01μm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1-10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<

<

T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成

（1-24）

同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为

（1-25）

故在负载RL上产生的电压为

（1-26）

1.2.5AC桥路式测量电路

其检测电路主要有普通交流电桥法、感应分压器电桥法和双T二极管电桥法三种形式。

其工作原理是，将电容式传感器接入交流电桥的一个臂（另一个臂为固定电容）或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。

极板间隙的变化会使电桥失衡，通过不平衡输出电压的幅值与被测变化量有关。

该电路的优点：

不同的电桥形式，具有不同的特点，如紧耦合电感臂电桥电路具有较高的稳定性和灵敏度，适用于高频工作；

变压器电桥电路使用元件很少，桥路内阻小，使用广泛。

该电路的缺点：

由于电桥输出的是调幅波，所以要求电源电压的波动要非常小，需对电源采用稳幅、稳频的措施；

传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥，增加了电路设计的难度；

其输出阻抗高达几MΩ至几十MΩ，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路，电路十分复杂。

通过对电容位移传感器的各种测量电路进行了分析，发现电容位移传感器性能的好坏关键在于测量转换电路的设计。

而目前不管是哪一种类型的电容位移传感器，其都存在着抗干扰性差、漂移明显的问题，而这两个问题也成为制约电容传感器发展的瓶颈。

分析其原因，一方面整个测量电路中，分立阻容元件非常多、集成度低，电路特性受到诸多参数的影响，因此很难保证较高的稳定性；

用到了大量的放大器、模拟滤波器等产生零点漂移的元器件，导致工作过程中漂移现象明显。

另一方面，传统电容位移传感器由于测量电路庞大复杂，普遍采用与测头分立式设计，被测模拟量从测头输出要经过电缆传输给测量电路进行处理，模拟量在这一段传输过程中，又引入了电缆电容，该电容值高达上百pF，并与传感器电容并联，降低了传感器灵敏度，电缆摆放位置和其形状变化都将引起电缆电容发生变化，使得传感器工作不稳定。

1.3电容式传感器的特点及发展趋势

1.3.1电容传感器的特点

电容式传感器的优点：

（1）温度稳定性好

传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸其他因素（因本身发热极小）影响甚微。

（2）结构简单，适应性强

电容式传感器结构简单，易于制造。

能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。

此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。

（3）．动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约1-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。

又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，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。

（4）．可以实现非接触测量、具有平均效应

当被测件不能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,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。

电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。

电容式传感器的缺点：

（1）输出阻抗高，负载能力差

电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108Ω。

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，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。

容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。

高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。

（2）寄生电容影响大

传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容（l～2m导线可达800pF）、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。

“寄生电容”降低了传感器的灵敏度，且是随机变化的，使传感器的工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。

因此对电缆选择、安装、接法有要求。

（3）输出特性非线性

变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。

其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。

否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。

1.3.2电容式传感器的发展方向

电容式传感器的发展方向就是一方面加强电容式传感器变换电路的集成度，为了克服寄生电容的影响，尽量将电路和传感器连接得紧密些或者干脆做成一体或采用无线接入代替传统的电缆传输；

为克服电容器挂料问题，采用射频导纳加以改进。

另一方面充分开发测量系统的智能化，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。

由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析、并能够对实际物位的电容量变化进行实时监控、自动校正；

从而有效地解决了以往受寄生电容影响、导致电容式传感器准确性、稳定性、及可靠性差的技术难题，提高系统的准确性、可靠性。

第2章数字式电容式位移测量仪的电路设计

2.1测量电路的设计

为了准确地检测到电容的变化量，同时能方便地将检测到得信号传给后级电路。

可以采用脉冲宽度调制电路来进行测量。

它可以将电容量转化为不同宽度的脉冲，这样直接使用单片机就可以检测并进行相关处理。

2.1.1单片机最小系统

本次设计用的是STC89C51单片机。

它是由组成单片机系统必要的一些元件构成的。

在执行相应具体的任务时，只要在它的基础上进行电路和功能扩展就行了。

本次设计就是用它来把检测到的脉冲宽度检测出来，然后输出给后级电路继而通过数码管显示出来。

图2-1单片机最小系统电路

图2-2复位电路图2-3电源指示灯电路

2.1.2stc89c51引脚功能介绍

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口

P3口管脚备选功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电