本科毕业设计论文-脉宽调制型差动电容位移传感器的研究(编辑修改稿)

本科毕业设计论文-脉宽调制型差动电容位移传感器的研究(编辑修改稿)内容摘要：

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； ε 的变化，则可以反映液面高度、材料的湿度等的变化 [15]。 江苏大学 2020级本科毕业论文 6 电容式传感器的类型 实际应用中，常常仅改变 A、 d 和 ε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 ε 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、密度的测定 [16,17]。 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（ ）可知，当电容式传感器极板间距 d 因被测量变化而变化 d 时 ，电容变化量 为 C ，那么电容相对变化量为 [18] 0CC = 100 1  dddd （ 22） 如果满足条件 dd 171。 1，将上式按级数展开成 0CC =    320 1 ddddddd d （ 23） 式中 0C ——— 极距为 0d 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。 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 所示 ， 江苏大学 2020级本科毕业论文 7 图 圆筒形线性位移电容传感器 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内、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。 在忽略边缘效应时 电容 为 0C =dDlkln （ 24） 式中 l ——— 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； D 、 d ——— 外圆筒内径和内圆柱外径。 当两圆筒相对移动 x 时，电容变化量 C 为 C = 0CxC =  dDlkdDxlklnln  = lxC 0 （ 25） 可见 这类传感器具有良好的线性。 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 ，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。 江苏大学 2020级本科毕业论文 8 图 变介电常数型电容传感器 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 ，外筒内径为 D ，则此时传感器电容值为   hdDhHdDhCln2ln2 1   （ 26）   dDhCln2 10    KhC0 （ 27） 其中dDHCln20  ，容易看出，电容变化与介质的介电常数呈线性关系。 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。 电容式传感器等效电路 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 所示 [18]。 图中 C 为传感器电容， pR 为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗； sR 为高湿、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 江苏大学 2020级本科毕业论文 9 图 电容传感器的等效电路 The Equivalent Circuit of The Capacitive Sensor 阻； L 为电容器及引线电感； pC 为寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之处。 可见，在实际应用中，特别是在高频激励时，尤需要考虑 L 的存在，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。 另外，由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常几十兆赫。 当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。 因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。 电容式传感器的灵敏度和非线性 电容式传感器的灵敏度即为输出电容的 变化 量和输入非电量 （位移，压力等） 的比值，用 S 表示。 变极距式电容传感器只有在满足极板间初始距离 0d 远大于输入量 d 时（即 d / 0d 1 ），才能近似认为是线性的。 其灵敏度为 S= dC ≈ 00dC （ 28） 式中 0C ——— 传感器的初始电容值； 0d ——— 极板间的初始距离。 由此可知在使用这种类型的传感器时， d 的范围不应太大，欲在较大范围内使用此种传感器，可适当地增大 0d ，以满足 0d d 的条件，但 0d 增大会引起 0C 减小，因而灵敏度 S 降低。 且当 0d 较小时，寄生电容的作用要增大，因而影响检测精度。 若用一组差动电容式传感器，当满足 0d d 时，灵敏度为 S= dC = 002dC （ 29） 可见灵敏度比单极式提高一倍。 因此一般采用差动 式结构，减小非线性误差，同时由于结构上的对称性，还能有效地补偿温度变化所造成的误差。 江苏大学 2020级本科毕业论文 10 电容式传感器特点 及发展方向 电容式传感器的优点 温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。 结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度；可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量。 电容式传感器一般用金属作电极、以无机材料作绝缘支承，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变 化，承受高压力、高冲击、过载等；能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。 动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小、很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。 又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 它还可以用于测量高速变化的参数。 可以实现非接触测量、具有平均效应 当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除 上述优点之外，还因带电极极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题。 不足之处 输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。 因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。 容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此还要特别注意周围环境的影响。 寄生电容影响大 江苏大学 2020级本科毕业论文 11 电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等 “ 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，将使传感器的工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。 因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。 输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。 其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。 否则边缘效 应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。 上述不足直接导致电容式传感器测量电路复杂的缺点。 但随着材料、工艺、电子技术，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缺点不断得到克服，成为一种大有发展前途的传感器。 相关电路将在第三章详细介绍。 发展方向 电容式传感器的发展方向就是一方面加强电容式传感器变换电路的集成度，为了克服寄生电容的影响，尽量将电路和传感器连接得紧密些或者干脆做成一体或采用无线接入代替传统的电缆传输；为克服电容器挂料问题，采用射频导纳加以改进。 另 一方面充分开发测量系统的智能化，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。 由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析、并能够对实际物位的电容量变化进行实时监控、自动校正；从而有效地解决了以往受寄生电容影响、导致电容式传感器准确性、稳定性、及可靠性差的技术难题，提高系统的准确性、可靠性 [19]。 提出方案 本论文要求对微小位移进行测量，归根结底就是测量微小电容，结合以上 电容式传感器的相关知识及设计要求，最终确定采用如图所示的变极距式的差动电容传感器结构， 江苏大学 2020级本科毕业论文 12 图 差动式电容传感器结构 Differential Capacitive Sensor Structure 三块相同金属板上下平行放置，其中最上面的板和最下面的板固定住，中间的板为可移动极板。 可动极板用于反应机械位移，因为动极板的移动会引起传感器的电容变化。 另外，此结构配以合适的测量电路将可以判断动极板运动的方向，这是一般 的传感器结构所无法达到的。 总之，差动式结构的引入减小了系统的非线性误差，提高了灵敏度。 方案具体实施及注意点 电容式传感器初始电容小，很容易受外界环境影响，因此在搭建平行板时应特别小心。 首先，将三块金属板通过焊锡分别与三根细金属丝（即为电容传感器的引出线）焊接在一起，金属丝表面漆有绝缘漆以防接触短路；然后用三个有机玻璃条（或是绝缘夹子）分别粘在金属板上；固定上极板与下极板的有机玻璃条（绝缘夹子）的另一端固定于螺旋测微仪的尺架上，固定动极板的绝缘材料的另一端固定于螺旋测微仪的测微螺杆上，转动测微仪 的旋钮，既改变电容有能直接读出位移量，这样电容传感器就完成了。 在搭建过程应注意一下几点： （ 1） 金属板表面一定要保持光洁，切勿弯曲； （ 2） 未与金属板焊接的导线应相互绝缘，不可掉漆短路； （ 3） 三块板应尽量保证平行，不可倾斜； （ 4） 板间距应合理。 小的间距可提高传感器的灵敏度，但间距过小，容易引起电容器击穿或短路。 （ 5） 接入电路时，应保证传感器没有杂乱导线或电信号干扰。 另外，三个极板初始板间距可以由公式（ 21）计算得到，一般变极距电容式传感器的起始电容在 20100pF 之间，在这里选取 30pF，式中 A 即板间正对面积，在 这里即为圆板的面积。 通过测量圆板半径为 ，带入公式计算得到，板间初始距离 0d =。 江苏大学 2020级本科毕业论文 13 本章小结 本章主要介绍了电容式传感器的相关理论知识，分析了电容式传感器测量的原理及测量的误差来源，然后通过比较确定了本设计中采用的传感器结构，提出最优化设计方案，即差动式电容位移传感器，同时对具体设计方法进行阐述说明，对设计时的注意点提出要求。 江苏大学 2020级本科毕业论文 14 第三章 常用的电容式传感器测量电路 电容位移传感器将被测的非电量转换成电容的变化量 后，必须采用测量电路将其转换成可以应用的电量，如电压、电流及频率信号等，这种测量转换和处理的方法有很多。 目前广泛使用的测量方法有： 调频法、交流电桥法、双。