《脉宽调制型差动电容位移传感器的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉宽调制型差动电容位移传感器的研究（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、脉宽调制型差动电容位移传感器的研究第一章 绪论1.1 本课题研究背景在工、农业生产、科学研究、国防建设及国民经济的各部门中，经常需要检测各种参 数和物理量，获取被测对象的定量信息，以便进行监视和控制，使设备或系统处于最佳运 行状态，并保证生产的安全、经济及高质量。在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握 事物的规律性，人们必须测试许多的参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性1在被测物理量中，非电量占了绝大部分，例如压力、温度、湿度、流量、液位、力、 应变、位移、速度、加速度、振幅等等。非电量测量可以通过各种对应的敏感元件，将被 测物理量转换成与之有对应关系的电压、电流等，而后再通过对电
2、压、电流的测量，得到 被测物理量的大小。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径 2 。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有 可变参数的电容器。和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响 应好、分辨力高、工作可靠、易实现非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐 射和强烈振动等恶劣条件下工作 3 。电容传感器广泛的应用于多种检测系统中，用以测量 诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大等。 上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子
3、技术，特别是集成电 路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等 缺点不断得以克服。电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器 4 。1.2 本课题研究目的和意义由于电容传感器的广泛采用，不可避免地要涉及到电容的测量问题。对感应信号的提 取与非电量参数测量的成功与否有着密切关系。电容式传感器将被测非电量信号变换成电容变化，但电容值不能直接用现有的显示仪 器来显示，更难于传输，必须借助测量电路将电容变化量转换为电压、电流或频率信号， 以便显示、记录和传输。对于电容 / 电压转换电路，如何将电容变化量准确地转换为电压 信号至关重要，它直接关系到后续测量的准确性 5
4、。在测量仪器设计过程中，往往由于体积或测量环境的制约，电容传感器电容的变化量 一般都较小，往往仅有几个或几十个皮法的大小， 属于微弱电容的检测 6,7 。在某些场合 , 例 如电容层析成像系统中， 传感电容的变化量小至 fF 级8 。在现阶段测量微小电容主要有以 下几方面的困难9,10:杂散电容往往要比被测电容高的多，且杂散电容会随温度、结构、 位置、外电场分布及器件的选取等诸多因素而变化，被测量常被淹没在干扰信号中；测 量电路一般要使用一定量的电子开关，但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除；由于测量对象的快速多变性，需要较高的数据采集速度，但采集速度和降低噪 声的矛盾难以解决 ,
5、 滤波器的存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题。因此，要考虑引 线电容、电路设计的寄生电容以及环境变化的影响等因素，使电容传感器调理电路设计相 当复杂，并且由于分立元件过多，也将影响电容的测量精度 11,12。从工业角度而言，微小电容测量电路须满足动态围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂 散等要求。综上所述，研究电容式传感器及其测量电路对测量仪器的发展有着重要意义。1.3 研究现状经过几十年的发展，电容式传感器技术已经相当成熟。根据市场及工程应用的需要， 国外多家公司已经开发出多种型号电容式位移传感器测微系统，国多处于理论分析阶段， 而国外公司技术相对较为成熟。MTI （美国）公司开发的AS-50
6、00电容式位移传感器如图1-1所示。该传感器具有超 高精度、高稳定性、高频率和分辨率。其分辨率能达到0.0025卩m频率响应可达到20kHz, 线性度为土 0.1 %,高温型探头抗温可达500C,在16C-35 C的情况下，温漂低于土 0.1 %。德国米铱公司开发的capaNCDT62精密电容式位移传感器如图1-2所示。该传感器最 高分辨率为2纳米，线性度达0.2 %，传感器工作温度围-50 C - + 200E。该传感器在测量 导电材料时，不须另外进行线性化工作，导电性能的差异不会影响灵敏度和线性，给现场 测量带来极大方便。capaNCDT620也可以测量绝缘材料的位移，但是线性化须专门进行
7、，材料相同的介电常数是精确测量的条件图 1.1 AS-5000 电容式位移传感器实物图图 1.2 capaNCDT620 精密电容式位移传感器实物图Fig.1.1 Physical Map of CapacitiveFig.1.2 Physical Map of Precision CapacitiveDisplacement Sensor AS-5000Displacement Sensor capaNCDT620电容式位移传感器在设计应用中往往存在以下的问题：1、电容检测电路非线性，不便于后续传感器特性曲线拟合；2、受寄生电容和分布电容的影响，电容式位移传感器测量围小。以德国米铱公司的 电
8、容式位移传感器为例，直径为 40mm勺电容式位移传感器检测围仅为 5mm3、检测电路较复杂，生产成本高等。70年代末出现了与微型测量仪表封装在一起勺电容式传感器，该新型传感器分布电容大为减小，很大程度上弥补了电容式传感器勺不足。那么设计一种线性度好勺电容检测电 路，研究克服寄生电容、增大电容式位移传感器检测围勺方法，对今后电容式传感器勺开 发，扩大电容方式传感器勺使用围具有重要意义，这也是目前电容传感器需要突破勺瓶颈 所在。1.4 本课题勺任务和容本课题要求设计一台微小位移测量仪，利用平行板差动电容，配以脉宽调制信号出路 电路实现对微位移勺测量。具体要求如下：（1）建立实验系统，搭建整个测试系
9、统； （ 2）研制平行板电容器； （3） 研制出传感器信号处理电路； （4）研制出微位移测试仪。本课题容：第一章 介绍了本课题研究问题勺背景，课题研究勺目勺和意义及国外相关领域研究 现状。第二章 论述了电容式传感器勺相关理论及平行板电容器勺制作。第三章 介绍了电容式传感器常用的电容/电压（C/V）转换电路。第四章 设计了基于脉冲调宽原理勺微小位移测量电路，并进行电路元器件选择，参 数计算。第五章 对实验结果进行测量处理，并详细分析测量误差，解析误差来源，并提出减 小误差的措施。第六章 总结了全文的工作并提出了下一步的工作建议。第二章、电容式传感器的相关理论及其设计本设计要现对微小位移的测量，这
10、里是通过电容式传感器将非电量的位移转换成电容 这个电量的变化，然后通过测量电路得到电压，通过推导电压与位移的关系进而实现位移 的测量。电容式传感器作为位移与电压的桥梁有着很重要的地位，在此将对其进行详细介 绍，然后提出本设计中的传感器设计方案。2.1电容式传感器工作原理Fig.2.1 Parallel Plate Capacitors电容式传感器的基本原理可以用图2.1所示平板电容器来说明13,14。当忽略边缘效应时，其电容C为A r 0 ACd d（ 2-1）式中A极板相对覆盖面积；d极板间距离；相对介电常数；& 0真空介电常数， 0 =8.85 X 10 12 F/m； r电容极板间介质的
11、介电常数。由式（2-1 ）可知，当A、d和中的某一项或某几项变化时，就改变了电容 C。C的变化，在交流工作时，就改变了容抗，从而使输出电压或电流得以变化。d和A的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等变化；的变化，则2.2电容式传感器的类型实际应用中，常常仅改变 A、d和&之中的一个参数来使 C发生变化，所以电容式 传感器可分为三种基本类型：改变极板距离 d的变极距(变间隙)型；改变面积 A的变面积型；改变介电常数&的变介电常数型。变极距型一般用来测量微小的线位移；变面积型一般用于测量角位移或较大的线位 移；变介电常数型常用于固体或液体的物位测量以及各种介质的湿度、密度的
12、测定2.2.1变极距型电容传感器变极距型电容传感器是利用改变极板间距来改变电容量的一种可变传感器。由式(2.1 )可知，当电容式传感器极板间距d 那么电容相对变化量为18因被测量变化而变化 d时，电容变化量为C,C0do11卫do(2-2)如果满足条件寸1,将上式按级数展开成23(2-3)d d ddCo1 -do d dd式中Co极距为do时的初始电容量。该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际中常常作成差动式来改善其非线 性。2.2.2变面积型电容传感器通过改变极板的有效面积可制成变面积型电容传感器。变面积型电容传感器中，平板 形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受
13、极板径向变化的影响小, 成为实际中最常采用的结构，这里介绍一种同心圆筒形线位移电容式传感器，其结构示意 图如图2.2所示，图2.2圆筒形线性位移电容传感器Fig.2.2 Cylindrical Linear Capacitive Displacement Sensor它是由套在一起并具有一定高度的两个通信金属圆筒的、外表面所形成的电容传感 器，其中一个圆筒固定吗，另外一个同心圆筒沿着轴线方向移动，构成相互覆盖面积可变 化的电容传感器。(2-4)在忽略边缘效应时电容为Co =k.DInd式中丨外圆筒与圆柱覆盖部分的长度;D、d外圆筒径和圆柱外径。当两圆筒相对移动 x时，电容变化量 C为C= Cx
14、Co = klnd(2-5)可见这类传感器具有良好的线性。2.2.3变介电常数型电容传感器与上述的圆筒形线性位移传感器结构相似，如图2.3，只是它是通过改变两筒间的介质（介电常数）来改变其电容量，利用该原理可制成变介电常数型电容传感器图2.3变介电常数型电容传感器Fig.2.3 Variable Dielectric Constant Type Capacitance Sensor假设被测介质的介电常数为 1，液面高度为h，传感器总高度为H，外筒径为则此时传感器电容值为C 2 ihC忑dc21Co2 H h _hd-hCo KhlnDd(2-6)(2-7)2 H容易看出，电容变化与介质的介电常
15、数呈线性关系。其中CoIn d因此变介电常数型电容传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质 的介电常数随温度、湿度的改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。2.3电容式传感器等效电路Rs为实际上，我们对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可 忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。但若考虑电容传感器在高温、高湿及高频 激励的条件下工作时，那就不能忽视其附加损耗和电效应影响，这时电容传感器可以等效 为图2.4所示18 o图中C为传感器电容，Rp为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗;高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电和*RSLCCPL1 RP图2.4电容传感器的等效电路Fig.2.4 The Equivalent Circuit of The Capacitive Sensor阻；L为电容器及引线电感；Cp为寄生电容，克服其影响，
