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1、课 程 设 计设计名称:电容式位移传感器的设计_ 专业班级:姓名:学号:指导教师:xxxx 年 xx 月名目一、设计要求3二、电容传感器工作特性3三、电容传感器的优缺点3四、根本原理3五、设计分析4六、消退和削减寄生电容的影响5七、转换电路的设计6八、差动放大电路8九、相敏检波器系统工作及原理9十、心得体会11十一、参考文献12十二、附录131、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、测量范围mm：01mm；2、线性度%Fs：0.5；3、区分率m：0.01；4、灵敏度PF/mm：5、通过理论设计、构造设计、理论分析等过程设计传感器构造和测量电路，画出构造示意图和测量电
2、路图，并进展参数计算。利用参数和构造来选择合理的方法消退或削减寄生电容的干扰影响。结合传感器试验平台，确定传感器的静态灵敏度和线性范围，并设计电容传感器的电子秤应用试验。2、电容传感器工作特性电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。相对与其他传感器来说，电容式传感器的温度稳定性好，其构造简洁，易于制造，易于保证高的精度，能在高 温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强；它的静电 引力小，动态响应好，可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等； 它能够实现非接触测量，在被测件不能受力，或高速运动，或外表不连接，或 外表不允许划伤等不允许承受接触测量的状况下，电容传感器可以
3、完成测量任 务；当承受非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以削减工件外表粗糙 度等对测量的影响。因其所需的输入力和输入能量微小，因而可测极低的压力、很小的加速度、位移等，由于在空气等介质中损耗小，承受差动构造并连接成 桥式电路时产生的零点剩余电压微小，因此允许电路进展高倍率放大，使仪器 具有很高的灵敏度，区分力高，能敏感0.01m 至更小的位移。本课题承受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。3、电容传感器的优缺点优点：1. 其温度稳定性好:电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电机的几何尺寸和介质，且空气介质等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性
4、考虑，合理选择材料和构造尺寸即可，电容传感器工作室本身发热微小，影像稳定性甚微。2. 构造简洁且适应性强：电容传感器的构造简洁，易于保证高的精度。一般用金属做电极，无机材料做绝缘支架，可以做得格外小巧。在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下都能正常工作。3. 静电力小。愁闷极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引力或静电力矩。一般来说，这种景点引力是很小的，因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电考虑静电引力造成的测量误差。4. 动态响应好：由于极板间的静电引力小，需要的作用能亮微小，因此其固有频率很高，动态响应时间短.5. 可实现非接触测量并且有平均效应。在被测件不能
5、受力或高速运动等不允许接触测量的状况下，电容传感器可以完成测量任务。但是电容式传感器的一些缺点也是不行无视的:1. 输出阻抗高并且负载力气差.电容式传感器的容量受其几何尺寸等限制，不易做的太大，使传感器的输出阻抗很高，因此传感器负载力气差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严峻时甚至无法工作，必需实行平屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗还要求传感器绝缘局部的电阻值极高，否则绝缘局部将作为旁路电阻而映像仪器的性能，为此还要特别留意四周环境如湿度、清洁度等。假设实行高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的简洁， 且寄生电容影响大，不宜保证工作的稳定性。2. 寄生电容影响大：
6、传感器的初始电容很小，而传感器的引线电缆电容12m 导线电缆电容可达800pF测量电路的杂散电容以及传感器极板与四周导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度，另一方面这些电容常常是随机变化的，使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有严格的要求，例照实行屏蔽性好、自身分布电容小的导线作为引线，引线粗而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等，否则不能保证高的测量精度。4、根本原理利用电容CAd 和其它构造的关系式通过相应的构造和测量电路可以选、择A、d 中三个参数中，保持二个参数不变而，只转变其中一个参数，则可以有测谷物枯燥度 变、测位移d 变和测量液
7、位A 变 等多种电容传感器。 本试验承受的传感器为圆 筒式变面积差动构造的电容式位移传感器，如以以以下图所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径R为；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=2x ln(Rr)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生X位移时，电容量的变化量为C=C1C2=2 2 Xln(Rr)，式中 2、ln(Rr) 为常数，说明C 与位移X 成正比，配上配套测量电路就能测量位移。5、设计分析本文主要是设计差动变面积式电容位移传感器，以及测量电路的设计。利用电容式传感器非接触测量的特性，测量微小位移的变化，由于位移的变化引起电容的变化，将电容的变化量转换成电压
8、的变化，由电压的变化测出位移的变化量。本设计主要目的是如何利用设计的差动变面积式位移传感器与转换原件，尽量消除外界干扰引起的误差，高精度测出位移的变化量。图1.差动电容简图图1为差动式圆柱形电容传感器的原理简图，此传感器由三个圆柱形电容极板组成，中间为气体介质，两两构成电容器。当中间的极板上下移动式，它与上下两个极板组成的电容器的面积就会转变，当中间电容极板向上移动时，与上边极板间面积增大，与下极板间面积减小；反之，当中间极板向下运动时，与上极板面积减小，与下极板间的面积增大。所以导致两个柱形电容总能保持一个增大一个减小的状态，由此构成了差动电容。圆柱式电容的计算公式为 C=2x/ ln(D/
9、d)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 K =C/ x =2 /l n ( D / d )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、下转变位置，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。6、消退和削减寄生电容的影响在电容式
10、传感器的设计中，受到构造尺寸的限制影响，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格外敏感，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，而它的变化则为虚假信号，影响仪器的精度。传感器有用性的关键就是减小并消退寄生电容的影响。1增加传感器初始电容值承受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，单该方法收加工及安装及装配工艺，精度，示值范围，击穿电压，构造条件因素限制。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，寄生电容大为削减而且固定不变，是仪器工作稳定，但这种传感器收高， 低温或环境差的影响
11、。3运算放大器法利用运算放大器的虚地削减引线电缆寄生电容 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，大大削减了电缆电容的影响，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。假设承受双层屏蔽层电缆，其外层屏蔽鞥接大地，干扰影响就小更。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 承受“电缆驱动”技术当电容式传感器的容值很小，而且由于某些缘由，测量电路只能与传感器分开时，可承受电缆驱动技术，即传感器与测量电路前置级间的引线为
12、双层屏蔽电缆，其内屏蔽层与信号传输线之间的电容。承受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，还可以承受整体屏蔽法以及防止和减小外界干扰给仪器带来的误差和 故障7、转换电路的设计电容传感器可以把位移等被测量转换成电容量 C，电容传感器的电容变化量通常格外小一般为几十 PF，如此微小的电容量不便于直接测量和传输，因此需要将电容量 C 进一步转换成易于数据处理的电压或电流信号，将电容量转换成电量的电路称作电容式传感器的转换电路，本文承受电桥电路作为转换电路。电桥电路电桥法转换电路主要有一般沟通电桥电路、紧耦合电感臂电桥电路、变压器式电桥电路和双 T 二极管电桥电路。以以以下图所示
13、为双 T 二极管电桥电路原理图。其中，U 为高频电源，供给对称方0波 D D 是两个特性一样的二极管，R 和 R 是固定电阻，且 R =R =R,C C 为差动电1、 212121、 2容传感器的两个差动电容对于单电容工作的传感器，可以选择其中之一为固定电容，另一个为传感器电容。电路工作原理为：当电源U 正半周时，二极管D 导通，D 截止，电路可等效为下012图a所示电路，此时 C 充电，C 放电，流经 R 的电流 I 为电源 U 供电电流 I12ff0f和 C 放电电流 I 之和；当电源 U 为负半周时 D 截止，D 导通，等效电路如以以以下图b)22012所示，此时 C 放电，C 充电，流
14、经 R 的电流 I 为电源 U 供电电流 I 和 C 放电电12ff21流 I 之和。1由于 D D 特性一样，且R =R ，因此当C =C 即传感器极板位于中间位置，没有1、 21212位移输入时，I 与 I 的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内流过 R 的f平均电流为零，即 R1上无电压输出；当 C 或 C 发生变化时，Rf上平均电流不为零，f有电压输出，输出电压为12f式4.3说明，该电路的灵敏度与电源电压 U 的幅值和频率 f 有关，因此，为保证0电路输出的稳定性，承受的电源需要同时稳频、稳压。该电路的最大优点是将D D 、R 、R 安装在 C 、C 四周可以消退电缆寄生电容的影响
15、，同时电路简洁，1、 21212不需要附加其他相敏整流电路便可得到较高的输出电压。该电路常用来测量高速的机械运动。8、差动放大电路差动放大电路又叫差分电路，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放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，假设存在干扰信号，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
16、入为零，这就到达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 Ui=0时，则两管的电流相等，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，则集电极电位均下降， 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 压照旧为零。差动放大电路的放大作用输入信号有两种类型1共模信号及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，
17、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， 对共模信号的抑制力气强。2)差模信号及差模电压放大倍数 Aud差模信号-在差动放大管 T1和 T2的基极分别参与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，且二者的变化量确实定值相等，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，其次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
18、差膜信号，两管输出端电位变化时，一端上升。另一端则降低， 且上升量等于降低量。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9、相敏检波器系统工作及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；相敏检波器比较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打算了测试系统的准确度以及弱信号的检测水平。它的作用有两个：一是抑制噪声，二是实现
19、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 必需是某一频率的周期函数。假设原来的被测信号是缓变信号, 则首先必需调制成频域信号, 才能进展后续的相关检测。电路构造 A1为零电压比较器；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A。1、A2均承受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。此方波信号是把握电
20、路电流流通的开关， 为场效应管3DJ 7J供给栅源偏置电压，把握电子开关的动作，打算场效应管漏极信号 u3 ( t) 。由场效应管工作原理知：差放 A 2 对信号 us ( 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= R 4。把式( 1) 代入式( 2) 中，得：由式( 3) 知，从相敏检波器输出信号 u 0( 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 R f 可以转变运放 A 2 对信
21、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, 即可取其直流重量 U 0 ，从而得到被测信号幅值U s ( 由于在相关检测技术中，直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到达了预期目的。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。抱负的低通滤波器应当能使全部低于截止频率的信号无损通过，而全部高于截止频率的信号都应当被无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器。圆满的是，如此抱负的特性是无法实现的，全部的设计只不过是力图靠近矩形滤波器的特
22、性而已。依据所选的靠近函数的不同，可以得到不同的响应。虽然靠近函数多种多样，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，需要依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，推举使用“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。10、心得体会在传感器课程设计的两周里，虽然遇到过
23、困难，但是最终看到自己的成果， 还是很欣喜。这这期间，我去过图书馆翻书籍，也重修争论了教材上的理论学问。才觉察很多书本上的学问把握的还不是很结实，在设计的过程中很多原理性的东西都理解的不够深刻，在遇到困难时，我才渐渐开头了追根溯源，从微小之处开始理解学问点，细节问题在设计终是格外重要的，我们要想有所成就就必需认真细心，多学多思，把理论学问与时间联系起来。此外，通过这次课设，我还体会到了工具的重要性，包括工具书和软件操作等方面。我们所把握的学问不行能面面俱到，因而就必需要翻越文献资料，同时， 具备较好的计算机水平也会给我们带来很大的便利，比方数学公式的编辑，各种计算符号的输入等，这对以后步入工作都会有很大的帮助。总之，本次课程设计加强了我对传感器的生疏，更重要的是，它让我把握了做设计应有的环节与步骤，真正提高了学以致用的力气。11 、 参考文献【1】赵燕。传感器原理及应用。北京大学出版社【2】张国雄。测控电路。机械工业出版社【3】康华光。模拟电子技术根底。机械工业出版社【4】严钟豪，谭祖根。非电量电测技术。机械工业出版社十二附录：电路图