差动变面积式电容位移传感器.docx

1、差动变面积式电容位移传感器燕山大学传感器设计说明书课题名称：差动变面积式电容位移传感器班 级：指导教师：学生某某：摘要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X围mm：01mm；2、线性度%Fs：0.5；3、分辨率m：0.01；4、灵敏度PF/mm：2.3。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，并进展参数计算。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X围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。一 电容传感器工作特性二 设计要求：三 设计原理：四 消除和减少寄

2、生电容的影响五 差动放大电路六 相敏检波器系统工作与原理七 实验设计八 心得体会九 参考文献一 电容传感器工作特性m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。二 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X围mm：01mm；2、线性度%Fs：0.5；3、分辨率m：0.01；4、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，并进展参数计算。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X围，并设计

3、电容传感器的电子秤应用实验。三 设计原理：测量电路图电容设计图圆柱式电容的计算公式为式中：x为内、外电极重叠局部的长度；D、d分别为外电极内径与内电极外径。当重叠局部长度x发生变化时，电容的变化量为灵敏度为 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01mm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，当Cx1 和Cx2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。电容剖面图采用变压器电桥

4、将电容变化转化为电压变化。变压器电桥的两个平衡臂是变压器的次级绕组，另两个为差动电容传感器的电容。桥路的输出电压为电容的相对变化即为动片位移的相对变化所以，电桥的输出电压可以写为差动电容传感器的变化量相对于具有一个动片、静片的位移传感器来说多一倍其线性度要有所提高，灵敏度为灵敏度要求为2.3PF/mm，=8.85PF/mm，可求得D/d=10.50.四 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，而它的变化如此为虚假信

5、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，单该方法收加工与安装与装配工艺，精度，示值X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

6、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。假如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越大，精度越高。选择足够大的A值以确保足够的测量精度。 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长达10m之远也不影响仪器的性能。 此外，还可以采用整体屏蔽法以与防止和减小外界干扰给仪器带来的误差和故障。五 差动放大电路差动放大电路又叫差分电路

7、，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。根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一样的干扰，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。差动放大电路的根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

8、Ui=0时，如此两管的电流相等，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，如此集电极电位均下降，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共模信号与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、极性一样的信号。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差模信号与差模电压放大倍数 Aud差模信号-在差动放大管T

9、1和T2的基极分别参加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。另一端如此降低，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六

10、相敏检波器系统工作与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；相敏检波器比拟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与弱信号的检测水平。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展幅值和相位的检测。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。

11、 假如原来的被测信号是缓变信号, 如此首先必须调制成频域信号, 才能进展后续的相关检测。电路结构A1为零电压比拟器；D为检波二极管；3DJ7J为场效应管电子开关；A2差动放大器，对信号进展放大与合成。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 11 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 u

12、s ( t) 和 u3 ( t) 进展合成，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= R4 。把式 ( 1) 代入式( 2) 中，得：由式 ( 3) 知，从相敏检波器输出信号 u0( t) 中得到了被测信号 us ( t) 。对上述相敏检波器电路进展性能测试，通过调整 Rf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)进展直流放大, 即可取其直流分量U 0 ，从而得到被测信号幅值 Us (因为在相关检测技术中，直

13、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，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

14、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。 电容传感器的电子秤应用实验实 验 目 的: 利用电容传感器设计电子秤并验证实 验 环 境:示波器和CSY-910型传感器实验仪：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表 实 验 内 容 与 过 程:1、实验原理电容式传感器有多种

15、形式，本仪器中差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、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变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cxl，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cxl和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。将差动电容器应用于电子秤中，可将差动电容器接于电子秤里，可求得电子秤的受力时的力与位移关系，即可求得电子秤的受力与电容的变化关系，通过电压表的示数变化，可以求得电容的变化，进而得到电子秤收到的力2、旋钮初始位置差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表置于2V档

16、。3、实验步骤(1)根据图接线。(2)将F/V表打到20V，调节测微头，使输出为零。(3)转动测微头，每次，记下此时测微头的读数与电压表的读数，直至电容动片与上(或下)静片覆盖面积最大为止。X(mm)1400VmvX(mm)VmvX(mm)1330VmvX(mm)Vmv(4)退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下X(mm)与V(mv)值。X(mm)VmvX(mm)VmvX(mm)VmvX(mm)VmvX(mm)Vmv(5)计算系统灵敏度S=V/X，并作出-X曲线，并对实验结果进展分析。心得体会通过这次课程设计，我对传感器设计的根底知识复习了一遍，而且更重要的是又学到了很多新的

17、知识，有了新的体验。我学会了如何从具体的数据来设计需要的传感器。解了电容式传感器的原理、工作特性以与使用的X围，加深了对书里知识的理解。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节，在测试系统中，被作为一次仪表定位，能准确的传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一所需形态的信息。电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。通过本次设计，我了解到了如何设计电容传感器，并增加了自己的动手能力，通过理论分析，计算，再结合实验数据，了解了制作传感器的过程，对实际操作有了更深刻的了解。其次，通过本次课设，我更加体会到了团队合作的重要性，通过与同学的交流探讨，解决了自己不能解决掉的问题，提高了工作效率。体会到了与人讨论和向同学请教的必要，在设计过程中，我们遇到了很多困难，但都通过我们的合作解决了问题。在课程设计之中，遇到问题时还查阅了很多的资料，使我了解到查阅资料的重要性。 参考文献1唐文彦 传感器第四版机械工业 2007年2李科杰 新编传感器技术手册国防工业 2002年3其他：传感器原理、借口电路、设计手册类参考书