电容式微位移测量仪的设计.doc

电容式微位移测量仪的设计.doc

《电容式微位移测量仪的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容式微位移测量仪的设计.doc（78页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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

ThedesignofCapacitivemicro-displacementmeasurementinstrument

Abstract

Therearemanyintheindustrialmeasurementandtheneedtodetecttheparametersrelatedtochangesintheamountofdisplacement,suchaspower,flow,temperature,speed,vibration,density,viscosity.Sothemeasurementofdisplacementandsomeotherindustrialareasisparticularlyimportant,whichcapacitancemicrometerasanon-contactprecisionmeasurementofsmallrelativedisplacement.Andthesmallsizeofmicro-vibrationapparatus,withtemperaturestability,widemeasurementrange,highaccuracy,gooddynamicresponse,simplestructureandaseriesofadvantages,itistherelativechangeinvolume,canbeusedinspecialcircumstances,suchasinaviation,inbrightlight,theradiationconditions,overloadshockandvibrationenvironment.

Inthispaper,capacitancemicrometerworksanditskeytechnologytodoasystematicanddetailedexposition.Onthisbasis,thedesignoftheoperationalamplifierdetectionmethodbasedonmeasuringcircuit,thecompletionofthehardwaresystemsarchitecturedevelopment,systemcircuitdesignofvariousstructuralelementsandoperatingprincipleandprocessintroduction.Thentransformedbythedisplacementsensormadebythecapacitanceintoavoltageoutputandcapacity;thenuseMAX1166astheanalogtodigitalconversionoftheADconverter.Finally,weusesingle-chipmicrocontrollerC8051F020measurementsystemsoftwarecontroltoachievethedatacollectionandfiltering,keyboardparametersetting,datadisplay.Finally,completethisdesign.

KeywordsCapacitancesensor;Micro-displacementmeasurement;Operationalamplifierexamines

不要删除行尾的分节符，此行不会被打印

-II-

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题研究的背景目的与意义 1

1.2国内外研究现状及发展 1

1.3课题研究的主要内容 4

1.4文章结构 4

第2章电容式测微仪的测量原理 5

2.1基本测量原理 5

2.1.1平行板电容传感器 5

2.1.2电容式位移传感器 6

2.1.3传感器等效电路 8

2.2电容测微的实现 8

2.3本章小结 10

第3章硬件系统设计 11

3.1硬件总体设计 11

3.2信号转换电路 11

3.2.1标准参比电容 13

3.2.2稳幅正弦波激励源电路的设计 13

3.2.3主放大器的设计 14

3.2.4整流滤波部分电路的设计 15

3.3A/D转换器及其应用 17

3.4单片机设计 20

3.4.1单片机的选择 21

3.4.2C8051F020总体介绍 21

3.4.3C8051F020功能与资源介绍 21

3.4.4C8051F020的特点 22

3.4.5稳压电源的设计 23

3.5本章小结 24

第4章软件系统设计 25

4.1主程序设计 25

4.2初始化和自检 27

4.3数据采集和滤波 27

4.4键盘和显示 29

4.5本章小结 29

结论 30

致谢 31

参考文献 32

附录A 33

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（0~4MHz）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