脉宽调制型差动电容位移传感器的研究.docx

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脉宽调制型差动电容位移传感器的研究

JIANGSUUNIVERSITY

本科毕业论文

脉宽调制型差动电容位移传感器的研究

StudyofDisplacementSensorBasedonPulseWidthModulatedDifferentialCapacitors

学院名称：

机械工程学院

专业班级：

测控技术与仪器0801班

学生姓名：

指导教师姓名：

指导教师职称：

2012年06月

毕业设计（论文）任务书

机械学院测控0801班级学生

设计（论文）题目脉宽调制型电容位移传感器研究

课题来源自选

起讫日期2012年03月15日至2012年06月7日共14周

指导教师（签名）

系（教研室）主任（签名）

课题依据:

利用平行板差动电容，配以脉宽调制信号处理电路实现对微位移的检测。

任务要求:

1．开题/专题综述报告（3000字左右）

2．专业译文工作（10000汉字左右）

3．调研报告（1000字左右）

4．总体要求：

（1）建立实验系统，搭建整个测试系统；

（2）研制平行板电容器；

（3）研制出传感器信号处理电路；

（4）研制出一台微位移测试仪（量程1～2mm，分辨力微米）。

5．毕业设计说明书/论文（≥20000字）

毕业设计（论文）进度计划:

起讫日期

工作内容

备注

3.1～3.14

3.15～3.28

3.29～4.11

4.12～4.25

4.26～5.9

5.10～5.23

5.24～6.6

6.7～6.13

6.14～6.18

明确任务，收集资料，外文翻译，外出调研。

（2周）

外文翻译，文献综述，提出总体方案，提交开题报告，撰写调研报告。

（2周）

外文翻译，进行理论研究。

（2周）

总体结构设计。

（2周）

硬件设计。

（2周）

硬件调试，。

（2周）

系统调试、改进与完善（2周）

编写毕业设计说明书（毕业论文）。

（1周）

资料总结、打印、归档，毕业设计答辩（1周）

毕业实习

备注

脉宽调制型差动位移传感器的研究

专业班级：

测控0801学生姓名：

朱彤

指导教师：

鲍丙豪职称：

教授

摘要电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。

结构简单、分辨率高、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。

目前在位移、振动、角度、加速度、压力、压差、液面和成分含量测量等方面获得广泛应用。

然而，电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，其信号十分微弱，不便于直接测量，所以为了测出被测非电量必须采用测量电路将其转换成电压、电流或频率信号。

本论文主要研究的内容是电容式位移传感器及其测量电路。

设计中电容器由三片相同的金属板构成，三块板平行放置，连成差动结构，然后配以脉宽调制信号处理电路从而实现对微小位移的检测。

这种电路无需相敏检波电路即可判定产生位移的板的运动位置，由于采用差动结构，整体电路具有线性度高、灵敏度高和温漂小的特点。

设计时将系统分为两部分，即传感器制作部分和测量电路部分，通过分步测试调理，最后建立一个完整的实验系统，研制出一台微位移测试仪。

当动极板与两固定极板的相对位置发生变化时，即产生相对位移时，电路的输出电压产生变化，电压变化与位移呈现线性关系。

关键词：

电容式传感器差动结构脉宽调制微小位移线性关系

StudyofDisplacementSensorBasedonPulseWidthModulatedDifferentialCapacitors

AbstractThecapacitivesensorisatypeofsensorwhichisusedtoconventthemeasurednonelectricalquantitytothechangesofthecapacity.Ithasmanycharacteristics,suchassimplestructure,highresolution.Itcanbeusedfornon-contactmeasurement.Moreover,thecapacitivesensorcanalsoworkunderharshconditionssuchasheat,radiation,andstrongvibration.Now,itiswidelyusedinthedisplacement,vibration,angle,acceleration,pressure,differentialpressure,liquidlevelandcomponentcontentmeasurement.However，afterthecapacitivesensorstransformthemeasurednon-electricityintothechangesofthecapacitance,theoutputsignalissoweakthatitcannotbemeasureddirectly.Sothemeasuringcircuitisneededtochangethemeasurednon-electricalquantityintothevoltage,currentorfrequencysignals.

Thecontentsofthisthesisarethedesignofthecapacitivedisplacementsensoranditsmeasurementcircuit.Inthisdesign,thecapacitorconsistsofthreemetalplateswhichareplacedparallel,soitisconnectedasadifferentialstructure.Andthenusingapulsewidthmodulationsignalprocessingcircuitsothatwecanachievethedetectionofsmalldisplacements.Thiscircuitcanjudgethepositionoftheboardwhichcausesthedisplacementwithoutaphasesensitivedetectioncircuit.Duetothedifferentialstructure,theoverallcircuithasthefollowingcharacteristics,highlinearity,highsensitivityandsmalltemperaturedrift.

Thesystemisdividedintotwoparts.Oneistheproductionofthesensor.Theotheristhemeasuringcircuitportion.Byastep-by-steptest,webuildacompleteexperimentalsystemanddevelopamicro-displacementtestinginstrument.Whentherelativepositionofthemovingplateandthetwofixedplateswhichiscalledrelativedisplacementchanges,theoutputvoltageofthecircuitchanges.Thereisalinearrelationshipbetweenthevoltageandthedisplacement.

Keywords:

CapacitivesensorsDifferentialstructurePulsewidthmodulationMicro-displacementLinearrelationship

第一章绪论

1.1本课题研究背景

在工、农业生产、科学研究、国防建设及国民经济的各部门中，经常需要检测各种参数和物理量，获取被测对象的定量信息，以便进行监视和控制，使设备或系统处于最佳运行状态，并保证生产的安全、经济及高质量。

在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多的参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性[1]。

在被测物理量中，非电量占了绝大部分，例如压力、温度、湿度、流量、液位、力、应变、位移、速度、加速度、振幅等等。

非电量测量可以通过各种对应的敏感元件，将被测物理量转换成与之有对应关系的电压、电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。

传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径[2]。

电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。

和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、易实现非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作[3]。

电容传感器广泛的应用于多种检测系统中，用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。

电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大等。

上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。

但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。

电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器[4]。

1.2本课题研究目的和意义

由于电容传感器的广泛采用，不可避免地要涉及到电容的测量问题。

对感应信号的提取与非电量参数测量的成功与否有着密切关系。

电容式传感器将被测非电量信号变换成电容变化，但电容值不能直接用现有的显示仪器来显示，更难于传输，必须借助测量电路将电容变化量转换为电压、电流或频率信号，以便显示、记录和传输。

对于电容/电压转换电路，如何将电容变化量准确地转换为电压信号至关重要，它直接关系到后续测量的准确性[5]。

在测量仪器设计过程中，往往由于体积或测量环境的制约，电容传感器电容的变化量一般都较小，往往仅有几个或几十个皮法的大小，属于微弱电容的检测[6,7]。

在某些场合,例如电容层析成像系统中，传感电容的变化量小至fF级[8]。

在现阶段测量微小电容主要有以下几方面的困难[9,10]：

①杂散电容往往要比被测电容高的多，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素而变化，被测量常被淹没在干扰信号中；②测量电路一般要使用一定量的电子开关,但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除；③由于测量对象的快速多变性,需要较高的数据采集速度,但采集速度和降低噪声的矛盾难以解决,滤波器的存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题。

因此，要考虑引线电容、电路设计的寄生电容以及环境变化的影响等因素，使电容传感器调理电路设计相当复杂，并且由于分立元件过多，也将影响电容的测量精度[11,12]。

从工业