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1、黑 龙 江 大 学本 科 生 毕 业 论 文论文题目：数字式电容位移传感器的研究与设计学 院：电子工程年 级：2007级专 业：自动化姓 名：李瑶学 号：20075181指导教师：毛琳2011 年 5 月 7 日49摘 要由于具有结构简单、动态特性好、能实现非接触式测量等优点，电容位移传感器广泛应用于超精密加工、高精度定位、超精密测量等领域。现有电容位移传感器普遍采用测头与测量电路分立式设计，信号传输电缆的寄生电容等分布参数对传感器的分辨力、稳定性等性能影响显著，因此信号传输距离受到严重限制。如何保证电容模拟信号传输的稳定性以及减少漂移，就成了影响电容传感器性能的关键。为了完成对电容量的测量，
2、本文设计了一个脉冲宽度调制电路， 将电容量的变化转化为不同宽度的脉冲，然后用单片机的定时器功能检测出来并通过数码管显示出来。再运用PROTEL99 SE将设计的电路制成电路板。关键字电容；传感器；数字式；脉冲宽度调制；Protel99 SEAbstractWith the advantages of simple structure,dynamic characteristics and non-contact measurement,capacitance displacement sensor has been widely used in thedomains of precision
3、machining,high precision orientation and ultra precisionmeasurement.The measuring circuit of capacitance displacement sensor is commonlyset out of the probe.So the parasitic capacitance of the cable influences theresolution and stability of the sensor.The signal transmission distance is severelyrest
4、ricted.Thereby how to ensure the stability of analog signals transmission andhow to reduce the zero drift,has become the key which influences the performanceof the capacitance sensor.To complete the measurement of electrical capacity, the paper designs a pulse width modulation circuit that changes t
5、he capacitance into a different pulse width which can be detected by MCU timer functions and displayed through digital tube. Then using PROTEL 99SE makes the design of the printed circuit board. KeywordsCapacitance;sensor;Digital;Pulse width modulation;Protel99 SE目录摘 要IAbstractII前 言1第 1 章 数字式电容式位移测量
6、仪的原理介绍21.1电容传感器的原理21.1.1变极距型电容传感器31.1.2变面积型电容传感器41.1.3电容式角位移传感器41.1.4变介电常数型电容式传感器51.2电容位移传感器测量方法对比61.2.1 运算放大器式电路71.2.2 差动脉冲调宽电路81.2.3调频电路101.2.4二极管双T型电路101.2.5 AC桥路式测量电路111.3电容式传感器的特点及发展趋势121.3.1电容传感器的特点121.3.2电容式传感器的发展方向14第2 章 数字式电容式位移测量仪的电路设计152.1测量电路的设计152.1.1单片机最小系统152.1.2 stc89c51引脚功能介绍162.1.3
7、电平转换电路182.1.4按键及电源接口电路的设计192.2电容传感器的电路设计202.2.1检测电路的设计202.2.2 555定时器的介绍232.3显示电路的设计242.3.1 CD4511介绍252.4单片机软件设计26第三章PROTEL 99SE制作电路板303.1 PROTEL99 SE303.1.1 PROTEL99 SE简介303.1.2 Protel99 SE软件的一些使用方法303.1.3 PROTEL 99 SE软件的发展323.1.4 PROTEL99 SE软件特色323.2实际操作生成原理图333.2.1 新建原理图设计文件333.2.2 ERC 检测及元件清单生成34
8、3.3制作PCB 图353.3.1生成网络表353.3.2 网络表与元件的装入363.4 实际电路调试38结 论39参考文献40致 谢42数字式电容位移传感器的研究与设计前 言位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量
9、方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，能将被测物理量(位移、压力等)的变化转换成电容量变化的元件，通过检测电路再把电容量的变化换成电信号(电压、电流或频率)。它与其他传感器相比，具有一系列突出的优点:结构特别简单，能实现无接触测量。采用合适的检测电路
10、，可以做到灵敏度高、分辨力强、能分辨微小的位移。由于电容传感器只需输入极小的功率，而且在移动过程中没有摩擦和几乎没有相互作用力，因而特别适用于地震仪器。当然电容式传感器有它的缺点:容易受外界干扰和分布参数的影响。随着电子技术的飞快发展，克服了电容式传感器中所存在的一些技术问题，获得了广泛的应用。近几年来，在地震仪器上也开始了应用电容式传感器。电容位移传感器还具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种
11、不可缺少的测试仪器。数字式电容式位移传感器广泛应用于高精度的精密加工、高精度定位及高速高精度、大行程机器人的运行定位中以及石油、化工、电力、储运、建筑等工业生产领域，尤其能在强光照射、核辐射条件、过载冲击震动等恶劣环境下工作。数字式电容位移传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点。在众多的测量仪器当中，非接触式测量仪器由于其自身的优点，成为微位移测量领域的主流研究方向之一。目前用于微位移测量的传感器主要有数字式电容传感器、数字式电感传感器和新兴的光纤式传感器，这三类传感
12、器各有优缺点，适用于不同的测量场合，在高精度微位移测量中，数字式电容传感器以其自身的优点得到广泛应用。与其他两种传感器相比较，其具有如下优点：结构简单，适应性强 。动态响应好。可得到较大的相对变化量。温度稳定性好。可以实现非接触测量。由于数字式电容位移传感器的这些良好性能，世界上很多著名的研究所和测量仪器公司不断创新推出各种机械的、电路的以及软件的方法，经过近几十年的技术更新，数字式电容位移传感器的发展以高精度、智能化、便携化和模块化为发展趋势和主流研究方向。目前，数字式电容位移传感器作为一种测量微小位移的精密测量仪器，已经在全世界范围内被广泛地使用。第 1 章 数字式电容式位移测量仪的原理介
13、绍传感器的应用方面可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量；还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等等，在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等检测领域。1.1电容传感器的原理 电容器是一个既能充电又能放电的电
14、子元件，电容器的基本结构由两只金属极板或圆筒中间隔以绝缘体组成。电容传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并以空气为介质，如式（1-1）所示。在不计边缘效应的情况下，平行板式电容器的电容为 （1-1）式中 c电容量； 电容极板间介质的介电常数； A两平行板正对的面积； d两极板之间的距离。 当被测参数使得式（1-1）中的、A 或d 发生变化时，电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。 1.1.1变极距型电容传感器图1-1为此传感器的原理图。设初始电容量为： （1-2）若电容动极板因被测量变化而向上移动时，则极板间距变为，电容量为： （1-3）图1-1极板移动前后电容的变化量为 ： （1-4）上式表明C-d之间不是线性关系。C-d的关系为非线性，其特性曲线如图1-2所示。 但当d=d0时，可以认为C-d的关系为线性的： （1-5）图1-2则其灵敏度K为： （1-6）故变极距型电容传感器只在d/d0很小时，才有近似线性输出。其灵敏度与初始极距的平方成反比，故可通过减小初始极距来提高灵敏度。1.1.2变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为图1-3 变面积型电容传感器 （1-7）C与x间
