【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 差動(dòng)式電容傳感器結(jié)構(gòu) Differential Capacitive Sensor Structure三塊相同金屬板上下平行放置，其中最上面的板和最下面的板固定住，中間的板為可移動(dòng)極板。可動(dòng)極板用于反應(yīng)機(jī)械位移，因?yàn)閯?dòng)極板的移動(dòng)會(huì)引起傳感器的電容變化。另外，此結(jié)構(gòu)配以合適的測(cè)量電路將可以判斷動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)的方向，這是一般的傳感器結(jié)構(gòu)所無(wú)法達(dá)到的。總之，差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的引入減小了系統(tǒng)的非線性誤差，提高了靈敏度。 方案具體實(shí)施及注意點(diǎn)電容式傳感器初始電容小，很容易受外界環(huán)境影響，因此在搭建平行板時(shí)應(yīng)特別小心。首先，將三塊金屬板通過(guò)焊錫分別與三根細(xì)金屬絲（即為電容傳感器的引出線）焊接在一起，金屬絲表面漆有絕緣漆以防接觸短路；然后用三個(gè)有機(jī)玻璃條（或是絕緣夾子）分別粘在金屬板上；固定上極板與下極板的有機(jī)玻璃條（絕緣夾子）的另一端固定于螺旋測(cè)微儀的尺架上，固定動(dòng)極板的絕緣材料的另一端固定于螺旋測(cè)微儀的測(cè)微螺桿上，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微儀的旋鈕，既改變電容有能直接讀出位移量，這樣電容傳感器就完成了。在搭建過(guò)程應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：（1） 金屬板表面一定要保持光潔，切勿彎曲；（2） 未與金屬板焊接的導(dǎo)線應(yīng)相互絕緣，不可掉漆短路；（3） 三塊板應(yīng)盡量保證平行，不可傾斜；（4） 板間距應(yīng)合理。小的間距可提高傳感器的靈敏度，但間距過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。（5） 接入電路時(shí)，應(yīng)保證傳感器沒(méi)有雜亂導(dǎo)線或電信號(hào)干擾。 另外，三個(gè)極板初始板間距可以由公式（21）計(jì)算得到，一般變極距電容式傳感器的起始電容在20100pF之間，在這里選取30pF，式中A即板間正對(duì)面積，在這里即為圓板的面積。，帶入公式計(jì)算得到，板間初始距離=。 本章小結(jié)本章主要介紹了電容式傳感器的相關(guān)理論知識(shí)，分析了電容式傳感器測(cè)量的原理及測(cè)量的誤差來(lái)源，然后通過(guò)比較確定了本設(shè)計(jì)中采用的傳感器結(jié)構(gòu)，提出最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即差動(dòng)式電容位移傳感器，同時(shí)對(duì)具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述說(shuō)明，對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)的注意點(diǎn)提出要求。第3章 常用的電容式傳感器測(cè)量電路電容位移傳感器將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電容的變化量后，必須采用測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換成可以應(yīng)用的電量，如電壓、電流及頻率信號(hào)等，這種測(cè)量轉(zhuǎn)換和處理的方法有很多。目前廣泛使用的測(cè)量方法有：調(diào)頻法、交流電橋法、雙T型充放電法等等[20]，下面一一介紹。 調(diào)頻電路 調(diào)頻電路原理框圖 Block Diagram of Frequency Modulation Circuit這種電路是把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分。當(dāng)被測(cè)量使電容發(fā)生變化時(shí)，就使振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于振蕩器的頻率受電容式傳感器的電容調(diào)制，故稱(chēng)為調(diào)頻電路。圖中的調(diào)頻振蕩器的頻率由下式?jīng)Q定： （31）式中 ——振蕩回路的電感； ———振蕩回路的總電容。一般是由傳感器電容 ，振蕩回路的固有電容和傳感器電纜分布電容 所組成。當(dāng)被測(cè)量沒(méi)有變化時(shí)， =0，則 = 為一常數(shù)，所以振蕩器的頻率是一個(gè)固定頻率, （32）當(dāng)被測(cè)量改變時(shí)， ≠0，振蕩頻率也有一個(gè)相應(yīng)的改變量 ，此時(shí)振蕩頻率為 （33）振蕩器輸出的高頻電壓是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻波，其頻率由上式?jīng)Q定。這類(lèi)測(cè)量電路靈敏度高，且為頻率輸出，易于和數(shù)字式儀表及計(jì)算機(jī)連接，可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。另外抗干擾能力強(qiáng)，能獲得高電平的直流信號(hào)。缺點(diǎn)是振蕩頻率受溫度和電纜電容的影響大；線路復(fù)雜，且不易做得很穩(wěn)定；輸出非線性較大，需誤差補(bǔ)償[21]。 交流電橋電路電容式傳感器的電橋測(cè)量電路形式很多，在工程實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛是變壓器電橋。 變壓器電橋 Transformer Bridge其原理是將電容傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)相鄰臂，另兩臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈。測(cè)量時(shí)被測(cè)量變化導(dǎo)致傳感器電容變化引起電橋失衡，電橋輸出電壓變化。這種電路對(duì)于變極距式傳感器，存在較大的非線性誤差，它只有在負(fù)載阻抗極大時(shí)輸出特性成線性。另外它不具備自動(dòng)平衡措施，構(gòu)成較復(fù)雜[23]。 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò) 二極管雙T型電路 Diode Circuit of Double Ttype。供電電壓是幅值為、周期為、占空比為50%的方波。電源正半周時(shí)，短路，開(kāi)路，電容被充電。假設(shè),通過(guò)推導(dǎo)可得到流過(guò)電容的平均電流： (34)同理，可得負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流IC1為 （35）故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為 （36）可見(jiàn)，輸出電壓與電容差值成正比關(guān)系。該電路適用于各種電容式傳感器。它有如下應(yīng)用特點(diǎn)和要求[24]：（1）電源、傳感器電容、負(fù)載均可同時(shí)在一點(diǎn)接地；（2）當(dāng)二極管工作于高電平下時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很?。唬?）電路的靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定；（4）將DD2，RR2安裝在CC2附近能消除電纜寄生電容的影響；線路簡(jiǎn)單；（5）輸出電壓較高；（6）電路的輸出阻抗僅與RR2及RL有關(guān)，而與電容CC2無(wú)關(guān)；（7）可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。 運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性[25] 運(yùn)算放大器式電路 Operational Amplifier Circuit是傳感器電容是固定電容是輸出電壓信號(hào) 由運(yùn)算放大器工作原理可知 （37） （38） （39）結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性，假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)=165。，輸入阻抗=165。，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般和足夠大，所以這種誤差很小。 脈沖調(diào)寬型電路由于本設(shè)計(jì)主要研究的就是該電路，在此章節(jié)不贅述，具體內(nèi)容將在下一章中詳細(xì)介紹，在此簡(jiǎn)要說(shuō)明一下該電路的特點(diǎn)。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高[26]。 本章小結(jié)通過(guò)對(duì)電容位移傳感器的各種測(cè)量電路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電容位移傳感器性能的好壞關(guān)鍵在于測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。而目前不管是哪一種類(lèi)型的電容位移傳感器，其都存在著抗干擾性差、漂移明顯的問(wèn)題，而這兩個(gè)問(wèn)題也成為制約電容傳感器發(fā)展的瓶頸。分析其原因[27,28]，一方面整個(gè)測(cè)量電路中，分立阻容元件非常多、集成度低，電路特性受到諸多參數(shù)的影響，因此很難保證較高的穩(wěn)定性；用到了大量的放大器、模擬濾波器等產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的元器件，導(dǎo)致工作過(guò)程中漂移現(xiàn)象明顯。另一方面，傳統(tǒng)電容位移傳感器由于測(cè)量電路龐大復(fù)雜，普遍采用與測(cè)頭分立式設(shè)計(jì)，被測(cè)模擬量從測(cè)頭輸出要經(jīng)過(guò)電纜傳輸給測(cè)量電路進(jìn)行處理，模擬量在這一段傳輸過(guò)程中，又引入了電纜電容，該電容值高達(dá)上百，并與傳感器電容并聯(lián)，降低了傳感器靈敏度，電纜擺放位置和其形狀變化都將引起電纜電容發(fā)生變化，使得傳感器工作不穩(wěn)定。因此在電路搭建過(guò)程中應(yīng)注意這些問(wèn)題，盡可能的體現(xiàn)出電路的優(yōu)點(diǎn)。第四章 采用脈沖調(diào)寬原理設(shè)計(jì)的微小位移測(cè)量?jī)x 測(cè)量電路結(jié)構(gòu)及工作原理 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 Differential PWM Circuit。第一差動(dòng)電容和第二差動(dòng)電容為被測(cè)差動(dòng)電容。第一比較器的同相輸入端連接參考電壓，第一比較器的反相輸入端與第一差動(dòng)電容的一端連接，電容的另一端接地，第一比較器的輸出端與一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的第一輸出端連接；第二比較器的同相輸入端連接參考電壓，反相輸入端與第二差動(dòng)電容的一端連接，電容另一端接地，第二比較器的輸出端與觸發(fā)器的第二輸入端連接。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出端各連接一個(gè)電阻、同時(shí)在電阻兩端各并聯(lián)一個(gè)二極管、電阻的另外一端連接差動(dòng)電容的一端（非接地端）。最后從雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端各引出一根導(dǎo)線通過(guò)低通濾波器，即可得到輸出電壓[29,30]。電路結(jié)構(gòu)如上所述，下面介紹該電路的工作原理。當(dāng)接通電源后，假若觸發(fā)器端為高電平（設(shè)為），端為低電平（0），這觸發(fā)器通過(guò)電阻對(duì)電容充電；當(dāng)點(diǎn)電位升到與參考電壓相等時(shí)，比較器產(chǎn)生一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使端為低電平，端為高電平（）。此時(shí)，電容通過(guò)二極管迅速放電至零，而觸發(fā)器端經(jīng)向充電；當(dāng)點(diǎn)電位與參考電壓相等時(shí)，比較器輸出一個(gè)脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，如此交替激勵(lì)，循環(huán)上述過(guò)程。該過(guò)程可簡(jiǎn)化為下面的流程： 觸發(fā)器兩端輸出極性相反、寬度取決于和的脈沖。有分析可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容、調(diào)制。當(dāng)=時(shí)，和兩端電平的脈沖寬度相等，、兩點(diǎn)間的平均電壓值為零。當(dāng)時(shí)，有圖可見(jiàn)，、兩點(diǎn)間的平均電壓值不為零[31,32]。 （a） （b） 各點(diǎn)的波形圖 The Waveform Graph of Each Point 根據(jù)電路知識(shí)可知：、兩點(diǎn)的電位分別是 ， （41）其中，、點(diǎn)和點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； 、分別為和充電至的所需時(shí)間； 觸發(fā)器輸出的高電位。、的充放電時(shí)間、為： ， （42）、兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后獲得，等于、兩點(diǎn)電位平均值與之差，即 （43）設(shè),再把、代入式（43），則得 （44）式（44）說(shuō)明差動(dòng)脈寬調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器，把平行板電容器的公式代入式（44）中可得 （45）當(dāng)差動(dòng)電容，即時(shí)，；若，設(shè)，即 ，則式（44）即為同樣，對(duì)于差動(dòng)式變面積型電容傳感器來(lái)說(shuō)，則有 （46）設(shè)電容初始有效面積為，變化量為，則濾波器輸出為： （47） 由此可見(jiàn)，對(duì)于脈寬調(diào)制電路，不論改變平行板電容器的極板面積或是板間距離，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系?？傊?，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路能適用于任何差動(dòng)式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；對(duì)元件無(wú)線性要求；經(jīng)過(guò)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高。這些特點(diǎn)都是其他電容測(cè)量電路所無(wú)法比擬的。但是，要實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制必須做到[33]：（1）使參考電壓小于觸發(fā)器輸出高電平；（2）當(dāng)電容充電電壓大于參考電壓時(shí)，要能引起比較器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；（3）雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器必須一端高電位，另一端低電位，不能同時(shí)存在高電位或低電位。另外，為消除分布電容的影響，調(diào)寬線路比較器采用集成電路，要求高分辨能力、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高輸入阻抗。此外，兩比較器性能應(yīng)盡量相同，溫度輸入漂移應(yīng)低[34,35]。所以在選擇元器件時(shí)應(yīng)注意這些細(xì)節(jié)。 測(cè)量電路元件選擇電路中涉及的元器件有：電壓源、比較器芯片、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、非門(mén)芯片，電阻電容，二極管等，下面一一介紹?？傠娐沸枰粋€(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源提供電壓。選擇YB1731A 5A雙路直流穩(wěn)壓電源，該電源有如下特點(diǎn)： （1）用四組LED顯示器分別指示兩路電壓和電流值； （2）具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流功能且穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換； （3）采用電流限制保護(hù)方式而且限流點(diǎn)可任意調(diào)節(jié)； （4）兩路輸出電壓可以任意串聯(lián)或并聯(lián)，在串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，可由一路主電源進(jìn)行電壓或電流(并聯(lián))跟蹤； （5）具有過(guò)載和短路保護(hù)功能。YB1731A 5A相關(guān)技術(shù)參數(shù)： 輸出電壓 030V；輸出電流05A；負(fù)載效應(yīng)CV 510^4+2mV ，CC 510^3+10mA；電源效應(yīng) CV 110^4+，CC 510^3+1mA；紋波及噪聲 CV 1mVrms，CC 1mArms；顯示精度 177。1%+2個(gè)字；工作溫度 0~40176。C；可靠性MTBF ≥2000h；電源電壓 AC 200V177。10%。50Hz177。5%。 脈沖調(diào)寬測(cè)量電路中，要求參考電壓源提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電壓，設(shè)計(jì)中選擇通過(guò)滑動(dòng)變阻器分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中滑動(dòng)變阻器的供電電壓為上述電源所提供。參考電壓電路如圖 參考電壓電路 Reference Voltage Circuit比較器的兩路輸入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。比較器僅有兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)，即零電平和電源電壓。在選擇比較器時(shí)，比較器的輸出延遲時(shí)