【正文】 式傳感器。 電源正半周時(shí)， 1D 短路， 2D 開(kāi)路，電容 1C 被充電。 雙 T 型充放電網(wǎng)絡(luò) 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 16 圖 二極管雙 T 型電路 Diode Circuit of Double Ttype 電路原理如圖 所示。這種電路對(duì)于變極距式傳感器，存在較大的非線(xiàn)性誤差，它只有在負(fù)載阻抗極大時(shí)輸出特性成線(xiàn)性。 圖 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(xiàn)圈。缺點(diǎn)是振 蕩頻率受溫度和電纜電容的影響大；線(xiàn)路復(fù)雜，且不易做得很穩(wěn)定；輸出非線(xiàn)性較大，需誤差補(bǔ)償 [21]。 這類(lèi)測(cè)量電路靈敏度高， 可以測(cè)至 m級(jí)位移變換量， 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 。 一般是由傳感器電容 CC ??0 ，振蕩回路的固有電容 1C 和傳感器電纜分布電容 iC 所組成。圖 所示為調(diào)頻電路的原理框圖。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。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。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 13 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。 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。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。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(xiàn)）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?？傊?，差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的引入減小了系統(tǒng)的非線(xiàn)性誤差，提高了靈敏度?？蓜?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。由于微處理器具有計(jì)算與邏輯判斷功能，故可以方便地對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記憶、比較分析、并能夠?qū)?shí)際物位的電容量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)校正；從而有效地解決了以往受寄生電容影響、導(dǎo)致電容式傳感器準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、及可靠性差的技術(shù)難題，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性 [19]。 發(fā)展方向 電容式傳感器的發(fā)展方向就是一方面加強(qiáng)電容式傳感器變換電路的集成度，為了克服寄生電容的影響，盡量將電路和傳感器連接得緊密些或者干脆做成一體或采用無(wú)線(xiàn)接入代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜傳輸；為克服電容器掛料問(wèn)題，采用射頻導(dǎo)納加以改進(jìn)。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服，成為一種大有發(fā)展前途的傳感器。否則邊緣效 應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線(xiàn)性。 輸出特性非線(xiàn)性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線(xiàn)性的，雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。 寄生電容影響大 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 11 電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線(xiàn)電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等 “ 寄生電容 ” 卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器的工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，其變化量甚至超過(guò)被測(cè)量引起的電容變化量，致使傳感器無(wú)法工作。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。 電容式傳感器除 上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜用來(lái)解決輸入能量低的測(cè)量問(wèn)題。它還可以用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小、很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量。 因此一般采用差動(dòng) 式結(jié)構(gòu)，減小非線(xiàn)性誤差，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，還能有效地補(bǔ)償溫度變化所造成的誤差。且當(dāng) 0d 較小時(shí)，寄生電容的作用要增大，因而影響檢測(cè)精度。其靈敏度為 S= dC?? ≈ 00dC （ 28） 式中 0C ——— 傳感器的初始電容值； 0d ——— 極板間的初始距離。 電容式傳感器的靈敏度和非線(xiàn)性 電容式傳感器的靈敏度即為輸出電容的 變化 量和輸入非電量 （位移，壓力等） 的比值，用 S 表示。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。可見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在高頻激勵(lì)時(shí)，尤需要考慮 L 的存在，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。但若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作時(shí)，那就不能忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響，這時(shí)電容傳感器可以等效為圖 所示 [18]。 電容式傳感器等效電路 實(shí)際上，我們對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 8 圖 變介電常數(shù)型電容傳感器 Variable Dielectric Constant Type Capacitance Sensor 假設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為 1? ，液面高度為 h ，傳感器總高度為 H ，外筒內(nèi)徑為 D ，則此時(shí)傳感器電容值為 ? ? hdDhHdDhCln2ln2 1 ??? ???? （ 26） ? ? ?dDhCln2 10 ??? ??? ? KhC?0 （ 27） 其中dDHCln20 ??? ，容易看出，電容變化與介質(zhì)的介電常數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng) x? 時(shí)，電容變化量 C? 為 C? = 0C?xC = ? ?dDlkdDxlklnln?? ??? = lxC?? 0 （ 25） 可見(jiàn) 這類(lèi)傳感器具有良好的線(xiàn)性。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)，這里介紹一種同心圓筒形線(xiàn)位移電容式傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 ， 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 7 圖 圓筒形線(xiàn)性位移電容傳感器 Cylindrical Linear Capacitive Displacement Sensor 它是由套在一起并具有一定高度的兩個(gè)通信金屬圓筒的內(nèi)、外表面所形成的電容傳感器，其中一個(gè)圓筒固定嗎，另外一個(gè)同心圓筒沿著軸線(xiàn)方向移動(dòng)，構(gòu)成相互覆 蓋面積可變化的電容傳感器。 變面積型電容傳感器 通過(guò)改變極板的有效面積可制成變面積型電容傳感器。 1，將上式按級(jí)數(shù)展開(kāi)成 0CC? = ???????? ?????????? ???????? ?????320 1 ddddddd d （ 23） 式中 0C ——— 極距為 0d 時(shí)的初始電容量。 變極距型電容傳感器 變極距型電容傳感器是利用改變極板間距來(lái)改變電容量的一種可變傳感器。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 6 電容式傳感器的類(lèi)型 實(shí)際應(yīng)用中，常常僅改變 A、 d 和 ε之中的一個(gè)參數(shù)來(lái)使 C 發(fā)生變化，所以電容式傳感器可分為三種基本類(lèi)型：改變極板距離 d 的變極距（變間隙）型；改變面積 A 的變面積型；改變介電常數(shù) ε 的變介電常數(shù)型。 C 的變化 ， 在交流工作時(shí)，就改變了容抗，從而使輸出電壓或電流得以變化。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容 C 為 d AdAC r 0??? ?? （ 21） 式中 A——— 極板相對(duì)覆蓋面積； d——— 極板間距離； ε ——— 相對(duì)介電常數(shù)； ε 0——— 真空介電常數(shù)， ε 0 = 1210? F/m； ε r——— 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 。電容式傳感器作為位移與電壓的橋梁有著很重要的地位，在此將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后提出本設(shè)計(jì)中的傳感器設(shè)計(jì)方案 。 第 六 章 總結(jié)了全文的工作并提出了下一步的工作建議。 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 4 第 四 章 設(shè)計(jì)了基于脈沖調(diào)寬原理的微小 位移 測(cè)量電路 ，并進(jìn)行電路元器件選擇，參數(shù)計(jì)算。 第二章 論述了電容式傳感器的相關(guān)理論 及平行板電容器的制作。 具體要求如下：（ 1）建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，搭建整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)；（ 2）研制平行板電容器；（ 3）研制出傳感器信號(hào)處理電路；（ 4）研制出微位移測(cè) 試儀。那么設(shè)計(jì)一種線(xiàn)性度好的電容檢測(cè)電路，研究克服寄生電容、增大電容式位移傳感器檢測(cè)范圍的方法，對(duì)今后電容式傳感器的開(kāi)發(fā)，擴(kuò)大電容方式傳感器的使用范圍具有重要意義，這也是目前電容傳感器需要突破的瓶頸所在。以德國(guó)米銥公司的電容式位移傳感器為例，直徑為 40mm 的電容式位移傳感器檢測(cè)范圍僅為 5mm； 檢測(cè)電路較復(fù)雜，生產(chǎn)成本高等。 capaNCDT620 也可以測(cè)量絕緣材料的位移，但是線(xiàn)性化須專(zhuān)門(mén)進(jìn)行，材料相同的介電常數(shù)是精確測(cè)量的條件。該傳感器最高分辨率為 2 納米，線(xiàn)性度達(dá) ％，傳感器工作溫度范圍 50℃ ﹢ 200℃。 ％。其分辨率能達(dá)到 m，頻率響應(yīng)可達(dá)到 20kHz，線(xiàn)性度為177。 MTI（美國(guó)）公司開(kāi)發(fā)的 AS5000 電容式位移傳感器如圖 11 所示。 研究現(xiàn)狀 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，電容式傳感器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。 從工業(yè)角度而言，微小電容測(cè)量電路須滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量靈敏度高、低噪聲、抗雜散等要求。在現(xiàn)階段測(cè)量微小電容主要有以下幾方面的困難 [9,10]：①雜散電容往往要比被測(cè)電容高的多，且雜散電容會(huì)隨溫度、結(jié)構(gòu)、位置、內(nèi)外電場(chǎng)分布及器件的選取等諸多因素而變化，被測(cè)量常被淹沒(méi)在干擾信號(hào)中；②測(cè)量電路一般要使用一定量的電子開(kāi)關(guān) , 但電子開(kāi)關(guān)的電荷注入效應(yīng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響難以消除；③由于測(cè)量對(duì)象的快速多變性 , 需要較高的數(shù)據(jù)采集速度 , 但采集速度和降低噪聲的矛盾難以解決 , 濾波器的存在成為提高數(shù)據(jù)采集速度的瓶頸等問(wèn)題。 在測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往由于體積或測(cè)量環(huán)境的制約，電容傳感器電容的變化量一般都較小，往往僅有幾個(gè)或幾十個(gè)皮法的大小，屬于微弱電容的檢測(cè) [6,7]。 電容式傳感器將被測(cè)非電量信號(hào)變換成電容變化，但電容值不能直接用現(xiàn)有的顯示儀器來(lái)顯示，更難于傳輸，必須借助測(cè)量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)，以便顯示、記錄和傳輸。 本課題研究目的和意義 由于電容傳感器的廣泛采用，不可避免地要涉及到電容的測(cè)量問(wèn)題。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)，而它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點(diǎn)不斷得以克服。 電容式傳感器也存在不足之處，比如輸出阻抗高、負(fù)載能力差、寄生電容影響大等。 和其它傳感器相比，電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、分辨力高、工作可靠、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，并能在高溫、 輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作 [3]。傳感技術(shù)的發(fā)展為這類(lèi)測(cè)量提供了新的方法和途徑 [2]。 在被測(cè)物理量中，非電量占了絕大部分 ，例如壓力、溫度、濕度、流量、液位、力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、振幅等等。 關(guān)鍵詞： 電容式傳感器 差動(dòng)結(jié)構(gòu) 脈寬調(diào)制 微小位移 線(xiàn)性關(guān)系 江蘇大學(xué) 2020級(jí)本科畢業(yè)論文 II Study of Displacement Sensor Based on Pulse Width Modulated Differential Capacitors Abstract The capacitive sensor is a type of sensor which is used to convent the measured non electrical quantity to the changes of the has many characteristics ,such as simple structure, high can