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1、 课程设计报告 调幅式电容位移传感器 学 院 学科专业 测控 姓名学号 指导教师 起止周期 13周16周 提交日期 2015年1月8日 3昆明理工大学 课程设计 正文摘要电容位移传感器以其结构简单、灵敏度好、分辨力高、动态特性好，以及可以进行非接触式测量的特点及优势，在超精密测量与定位以及控制领域得到了越来越广泛的应用。调幅式电容位移传感器作为电容位移传感器家族中的一类，其性能指标的高低相当程度上取决于以下两个方面：一是传感器信号从电容信号到电压信号的调制过程。如何处理杂散电容和分布电容对信号调制的影响，是调幅式电容位移传感器的关键问题之一；二是传感器系统从调幅信号中将电容位移信号提取出来的信
2、号解调过程。在传感器信号转换和调理过程中，调幅信号的相位相对于载波信号发生了相位延迟，给信号幅值解调带来了困难。如何设计信号解调电路，对传感器调幅信号进行快速准确的信号解调，是系统的另一个重要问题。本设计针对调幅式电容位移传感器解调过程中由系统不确定相移导致的信号解调不准确问题，提出了一种基于改进的峰值保持电路的调幅式电容位移传感测量方法。首先，分析了调幅式电容位移传感器及其检测电路的工作原理，在研究调幅信号附加相移产生机理的基础上，提出了延迟反馈式峰值保持电路，用以去除附加相移对峰值解调的影响。然后，对其各个性能指标进行了分析；其次，设计了调幅式电容位移传感器，提高了传感器系统的稳定性、分辨
3、力以及频响特性等关键技术性能指标。关键词：位移传感器；电容传感器；幅度调制；相位延迟；峰值保持I3目录摘要I第1章 绪论11.1 课程设计研究的背景和意义11.2 国内外研究现状及分析21.3 调幅式电容位移传感器中存在的主要问题3第2章 电容位移传感器的工作原理32.1 电容传感器的测量原理42.2 传感器系统的结构组成52.3 传感信号的调制过程52.4 峰值保持电路的工作原理6第3章 电容位移传感器的性能指标73.1 测量范围73.2 稳定性83.3 灵敏度83.4 分辨力93.5 线性度93.6 重复性103.7 频率响应10第4章 传感器硬件电路设计124.1 引言124.2 信号转
4、换模块124.2.1 DDS 系统设计124.2.2 基于变压器电桥的幅值调制电路设计134.2.3 信号调理电路设计154.3 传感器信号解调模块164.3.1 峰值解调模块的结构164.3.2 系统相位延迟的产生原理164.3.3 峰值保持电路外围电路设计17总 结19参考文献20VI第1章 绪论1.1 课程设计研究的背景和意义随着现代工业信息技术进一步发展，纳米技术和MEMS 在各行各业中均取得了惊人地发展和广泛的应用。在纳米技术领域，纳结构、纳米测量技术和纳米加工技术被列为纳米技术的三大研究主题。与此同时，纳米测量技术的研究作为纳米技术研究的重要组成部分，其技术水平很大程度上取决于位移
5、传感器技术水平。传感器是自动测试、控制系统和信息系统的关键基础部件，其技术水平的发展一直推动着自动化系统和信息系统的技术提升。现如今，运用于超精密测量领域的传感器家族中，进行纳米分辨力测量的传感器主要有电容位移传感器、电感位移传感器以及光干涉位移传感器。这三类位移传感器在技术原理上和应用方向上有着各自的特点。其中电容位移传感器以其结构简单、分辨力高、抗干扰能力强、动态特性好，对高温、强辐射等恶劣条件适应能力强，并且能进行非接触测量等优点，在航空航天、超精密装备技术、精密仪器、超精密测量与控制等技术领域获得越来越广泛的应用。我国政府十分重视对位移传感技术的研发，国家“863 规划”、“十一五计划
6、”、“十二五计划”均把纳米传感技术纳米加工技术列为重大研发项目。近年来，为了实现微纳米分辨力微位移测量，国内外科研机构和学者提出了多种测量方法，归纳起来不外乎光学测量方法、原子力显微镜法和电学测量三类方法。作为电学测量方法典型代表的电容位移传感器以其独特的优良性能在高精度微位移测量和控制中得到了越来越广泛的应用，并且逐步朝着高精度化、智能化、便携化和模块化的趋势发展在电容位移传感器方面，美国MTI 公司、德国米铱(MICRO-EPSILON)公司和PI公司等世界知名测量仪器制造公司都相继推出了其高分辨力、大量程、高频响的高水平电容传感器产品，占据了世界上电容位移传感器市场绝大部分的份额。国内在
7、电容传感器领域的研究起步较晚，加上制造水平和技术水平的落后，使得我国在超精密测量领域对电容位移传感器的需求严重依赖欧美产品的进口。因此，研制高分辨力、大量程、高频响的电容位移传感器，提升我国在超精密测量领域的技术水平有着重大现实意义。调幅式电容位移传感器是电容传感器家族中的一类，其技术特点是将电容极板位移信息调制在载波信号的幅度信息中，通过对调幅信号的处理和解调，得到被测电容双极板的位移变化信息。电容位移传感器为了满足其高灵敏度、高线性度和微位移测量的功能要求，往往将测头电容制作的很小，使得传感器电容非常小，通常在pF 级别。因此在设计过程中，常常将传感器位移信息进行调制后经过处理，再进行信号
8、解调，以完成位移测量。调幅式电容位移传感器，工作时其载波信号经过幅值运算电路和信号调理电路，传感器位移信号被调制于幅度信息中，然后通过幅值检波将信号从调幅波中解调出来。信号的解调采用模拟方法和数字方法，模拟解调电路的稳定性和精度完全取决于运算放大器、电阻、电容和电感元件的特性，易受外界干扰，稳定性差；而传统的数字解调方法，如数字相敏检波方法，由于解调过程依赖于参考信号，而实际上电路中存在电容、电感器件，会造成调幅信号和参考信号之间的相位关系发生变化而无法准确捕捉到调幅信号的峰值，导致幅值解调不准确8。针对以往调幅式电容位移传感器中存在的以上问题，本设计将延迟反馈式峰值保持技术应用在调幅式电容传
9、感器的信号解调上，使得峰值采样的准确性不受相位延迟的影响。1.2 国内外研究现状及分析电容位移传感器在近年来取得了长足的发展，并逐步成为一种成熟的高精度微位移测量仪器。电容位移传感器按照其结构进行分类，可分为变面积型、变电介质型和变极距型三种。变面积型电容传感器，通过改变被测电容的有效工作面积来改变被测电容容值大小，实现对位移的测量，这种方法量程可以很大，从几毫米到数十个毫米不等，但其分辨力难以达到纳米级别，一般适用于大位移测量和位移的粗标定。如国防科技大学研制的变面积电容位移传感器，在有效量程为100mm 的测量范围内准确度为0.2mm。变电介质型电容传感器，被测物的位移信息带动电容极板间电
10、介质的改变，以改变传感器被测电容的容值，这类传感器分辨力更差一些，无法运用于超精密测量。变极距型电容传感器，通过改变被测电容两极板间间距，来改变被测电容容值大小，实现对位移的测量，这种类型的传感器灵敏度高，分辨力大，是纳米分辨力测量的一种较为理想的方法。国内外的应用超精密测量与控制的电容传感器基本上都是变极距型电容位移传感器。电容位移传感器由于其电容微小，通常是在pF 级别，而由于测量电路的分布电容和杂散电容的存在而使得直接测量极板电容困难极大，因此在超精密测量领域，常常将电容变化调制到载波信号中，对调制信号进行信号处理后，将调制信号解调出电容变化信号，得到电容传感器的位移信息。从信号的调制原
11、理上划分，电容传感器可分为调幅式、调频式和调相式，原理上调制针对的载波信号为正弦波，而调制类型也分别针对正弦波的三个参数(幅度、频率、相位)进行的。调幅式电容位移传感器是将电容极板的位移变化信息以电容变化信息的方式调制在载波信号的幅度当中，而载波信号的频率是固定不变的，由信号发生设备设定。而调制信号的相位信息则可能随着处理电路的参数变化而改变，也因此给解调带来了一定的困难。近年来，欧美国家的精密仪器生产商纷纷推出了各自的电容位移传感器产品，产品技术及性能指标均走在世界前列。表1.1 国外电容位移传感器研究现状产商型号量程分辨力线性度频响美国Micro-TrakAS-5000.254mm1.6n
12、m0.1%F.S不详美国Lion-precisionElite12.5mm0.05nm0.2%F.S10kHz德国PID-015系列1mm0.01nm0.5%F.S10kHz德国米铱CapaNCDT65002mm1nm0.1%F.S8.5kHz英国QueensgateNX Nanosensor1.25mm0.1nm 0.02%F.S5kHz欧美国家在电容位移传感器领域研究开发时间长，技术和产品也已经非常成熟。国内在该领域起步较晚，技术相对落后，但近年来以天津大学为代表的国内各大高校和科研单位在电容位移传感器领域的研究仍然取得了较大的进步。天津大学JDC 系列电热位移传感器在有效测量范围为100
13、m 时，在空气介质条件下分辨力优于10nm，线性度优于0.5%；中国科学院上海光学精密机械所联合实验室研制的电容位移传感器，测量范围在40m 时，分辨力优于10nm;北京密云机床研究所研制的CW-210 电容位移传感器分辨力达到10nm，非线性误差优于0.5%；哈尔滨工业大学研制的MDS 系列电容位移传感器分辨力达到10nm，非线性误差优于0.5%。由此看来，国内外在电容位移传感器领域技术差距较大，努力发展超精密测量技术，赶超世界先进水平仍然任重而道远。因此，研制高分辨力、高频响、高稳定性的电容位移传感器具有重大意义。1.3 调幅式电容位移传感器中存在的主要问题 从调幅式电容位移传感器的原理上
14、出发，目前，调幅式电容位移传感器的主要问题有两个方面，一方面是如何处理杂散电容和分布电容给传感器系统带来的精度问题甚至是影响系统稳定工作的问题，电容测头附近的杂散电容严重影响了系统的精度和线性度，而传输电容对地的分布电容数十倍于甚至数百倍于传感器电容，如果这个分布电容叠加至测量系统，则传感器微小电容会被分布电容所淹没，使系统无法正常工作。另一个主要问题是信号的解调问题，信号调制后经过信号调理电路的处理，能否快速准确的进行解调，还原出电容极板的位移信息。随着超精密测量和控制的发展，系统不仅对测量精度提出了高要求，同时还对测量速度频率响应提出了更高的要求。因此，如何设计并完善信号解调电路，使得信号
15、解调精度高而且快，是对调幅式电容位移传感器的一个更高的要求。综上所述，为了实现纳米级的调幅式电容位移传感器的高精度高频响测量，需要寻求一种抗干扰能力强，能够去除杂散电容和分布电容的影响的信号调制方法；同时，需要完善信号解调模块，使系统对调幅信号的检波不仅能达到高分辨力，而且还能以高频响稳定工作，以达到超精密测量与控制中的高精度、高稳定性和高频响的要求。第2章 电容位移传感器的工作原理对于电容位移传感器来说，就是能把被测物位移变化信号转换为电容变化信号，按一定规律的信号处理，通过测量电容变化从而得到被测物的位移变化信息的一种位移测量仪器。2.1 电容传感器的测量原理由电学知识，对于一个普通电容器来说，电容量和电容双极板的有效正对面积等参数之间的函数关系可由式(2-1)来描述：
