【正文】 對測量的影響。 不足之處輸出阻抗高，負載能力差電容式傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此還要特別注意周圍環(huán)境的影響。因此對電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。上述不足直接導(dǎo)致電容式傳感器測量電路復(fù)雜的缺點。相關(guān)電路將在第三章詳細介紹。另一方面充分開發(fā)測量系統(tǒng)的智能化，所謂智能化就是將傳感器獲取信息的功能與專用的微處理器的信息分析、處理等功能緊密結(jié)合在一起。 提出方案 本論文要求對微小位移進行測量，歸根結(jié)底就是測量微小電容，結(jié)合以上電容式傳感器的相關(guān)知識及設(shè)計要求，最終確定采用如圖所示的變極距式的差動電容傳感器結(jié)構(gòu)， 差動式電容傳感器結(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，中間的板為可移動極板。另外，此結(jié)構(gòu)配以合適的測量電路將可以判斷動極板運動的方向，這是一般的傳感器結(jié)構(gòu)所無法達到的。 方案具體實施及注意點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應(yīng)特別小心。在搭建過程應(yīng)注意一下幾點：（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。（5） 接入電路時，應(yīng)保證傳感器沒有雜亂導(dǎo)線或電信號干擾。帶入公式計算得到，板間初始距離=。第2章 常用的電容式傳感器測量電路電容位移傳感器將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電容的變化量后，必須采用測量電路將其轉(zhuǎn)換成可以應(yīng)用的電量，如電壓、電流及頻率信號等，這種測量轉(zhuǎn)換和處理的方法有很多。 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。由于振蕩器的頻率受電容式傳感器的電容調(diào)制，故稱為調(diào)頻電路。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。這類測量電路靈敏度高，且為頻率輸出，易于和數(shù)字式儀表及計算機連接，可以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。缺點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，需誤差補償[21]。 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臂或兩個相鄰臂，另兩臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個次級線圈。這種電路對于變極距式傳感器，存在較大的非線性誤差，它只有在負載阻抗極大時輸出特性成線性。 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò) 二極管雙T型電路 Diode Circuit of Double Ttype。電源正半周時，短路，開路，電容被充電。該電路適用于各種電容式傳感器。 運算放大器式電路最大特點：能克服變極距型電容傳感器的非線性[25] 運算放大器式電路 Operational Amplifier Circuit是傳感器電容是固定電容是輸出電壓信號 由運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)放大器開環(huán)放大倍數(shù)=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。差動脈沖調(diào)寬電路利用對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。差動脈沖調(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；對元件無線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高[26]。而目前不管是哪一種類型的電容位移傳感器，其都存在著抗干擾性差、漂移明顯的問題，而這兩個問題也成為制約電容傳感器發(fā)展的瓶頸。另一方面，傳統(tǒng)電容位移傳感器由于測量電路龐大復(fù)雜，普遍采用與測頭分立式設(shè)計，被測模擬量從測頭輸出要經(jīng)過電纜傳輸給測量電路進行處理，模擬量在這一段傳輸過程中，又引入了電纜電容，該電容值高達上百，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。第四章 采用脈沖調(diào)寬原理設(shè)計的微小位移測量儀 測量電路結(jié)構(gòu)及工作原理 差動脈沖調(diào)寬電路 Differential PWM Circuit。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。最后從雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端各引出一根導(dǎo)線通過低通濾波器，即可得到輸出電壓[29,30]。當接通電源后，假若觸發(fā)器端為高電平（設(shè)為），端為低電平（0），這觸發(fā)器通過電阻對電容充電；當點電位升到與參考電壓相等時，比較器產(chǎn)生一個脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使端為低電平，端為高電平（）。該過程可簡化為下面的流程： 觸發(fā)器兩端輸出極性相反、寬度取決于和的脈沖。當=時，和兩端電平的脈沖寬度相等，、兩點間的平均電壓值為零。 （a） （b） 各點的波形圖 The Waveform Graph of Each Point 根據(jù)電路知識可知：、兩點的電位分別是 ， （41）其中，、點和點的矩形脈沖的直流分量； 、分別為和充電至的所需時間； 觸發(fā)器輸出的高電位。對于差動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）當差動電容，即時，；若，設(shè)，即 ，則式（44）即為同樣，對于差動式變面積型電容傳感器來說，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，對于脈寬調(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。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；對元件無線性要求；經(jīng)過低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。但是，要實現(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）當電容充電電壓大于參考電壓時，要能引起比較器產(chǎn)生脈沖信號，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，不能同時存在高電位或低電位。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]。 測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、非門芯片，電阻電容，二極管等，下面一一介紹。選擇YB1731A 5A雙路直流穩(wěn)壓電源，該電源有如下特點： （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)能自動轉(zhuǎn)換； （3）采用電流限制保護方式而且限流點可任意調(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，可由一路主電源進行電壓或電流(并聯(lián))跟蹤； （5）具有過載和短路保護功能。1%+2個字；工作溫度 0~40176。10%。5%。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，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。在選擇比較器時，比較器的輸出延遲時間是選擇的關(guān)鍵參數(shù)，延遲時間包括信號通過元器件產(chǎn)生的傳輸延遲和信號的上升時間與下降時間，高速的比較器對電路的響應(yīng)具有重要作用。 LM339引腳圖 Pin Diagram of LM339 LM339集成塊采用C14型封裝。1V177。 LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“”表示。當“+”端電壓高于“”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。選擇不同的阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。設(shè)計中采用了由四個RS鎖存器構(gòu)成的74LS279雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。當為低電平，為高電平時，輸出端為高電平；當為高電平，為低電平時，為低電平；當和均為高電平時，被鎖存在已建立的電平中；當和均為低電平時，為不穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。由于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS279沒有輸出端，因而考慮在端之后加接一個非門芯片來實現(xiàn)。 74HC04引腳圖 Pin Diagram of 74HC04推薦工作條件：電源電壓滿足26，一般取=5V；；；輸入電壓最大可達到；輸出電壓最大可達到。低通濾波器可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流電壓。通常來說，濾波器分為有源濾波器與無源濾波器兩種，低通濾波器也不例外，在這里將分別介紹這兩種濾波器在該設(shè)計中的應(yīng)用。但它的負載能力差，對于直流信號，負載開路時，信號將無衰減的輸出；但外電路有負載時，信號將會被衰減。 一階有源低通濾波器 The Firstorder Active Lowpass Filter該電路的傳遞函數(shù)為 （412）式中，頻率特性為 （413）與無源濾波器相比，有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可直接級聯(lián)，不需要進行阻抗匹配，同時，有源濾波器電路還可以進行增益調(diào)整，通過調(diào)節(jié)橋臂電阻，可補償電路中的增益衰減。相對于無源濾波器，有源濾波器有著無可替代的優(yōu)勢，在大部分場合，都采用有源濾波器[36]。另外，由于輸出有兩點的電壓需要濾波，所以可以采用先差動放大在接RC濾波器的方法，電路如下圖所示： A、B點輸出電壓處理電路 Output Voltage Processing Circuit of A ,B，下面簡要介紹。內(nèi)部還有四個獨立的運算放大器，適合電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。