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

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文脉宽调制型差动电容位移传感器的研究Study of Displacement Sensor Based on Pulse Width Modulated Differential Capacitors学院名称： 机 械 工 程 学 院 专业班级： 测控技术与仪器0801班 学生姓名： 朱 彤 指导教师姓名： 鲍丙豪 指导教师职称： 教 授 2012年 06 月江 苏 大 学毕业设计(论文)任务书 机械 学院 测控0801 班级 朱彤 学生 设计(论文)题目 脉宽调制型电容位移传感器研究 课题来源 自选 起讫

2、日期 2012 年 03 月 15 日至 2012 年 06 月 7 日共 14 周 指导教师(签名) 系(教研室)主任(签名) 课题依据:利用平行板差动电容，配以脉宽调制信号处理电路实现对微位移的检测。任务要求:1开题/专题综述报告（3000字左右）2专业译文工作（10000汉字左右）3调研报告（1000字左右）4总体要求：（1）建立实验系统，搭建整个测试系统；（2）研制平行板电容器；（3）研制出传感器信号处理电路；（4）研制出一台微位移测试仪（量程12mm，分辨力微米）。5毕业设计说明书/论文（20000字）毕业设计(论文)进度计划:起 讫 日 期工 作 内 容备 注3.13.143.15

3、3.283.294.114.124.254.265.95.105.235.246.66.76.136.146.18明确任务，收集资料，外文翻译，外出调研。（2周）外文翻译，文献综述，提出总体方案，提交开题报告，撰写调研报告。（2周）外文翻译，进行理论研究。（2周）总体结构设计。（2周）硬件设计。（2周）硬件调试，。（2周）系统调试、改进与完善（2周）编写毕业设计说明书（毕业论文）。（1周）资料总结、打印、归档，毕业设计答辩（1周）毕业实习备 注脉宽调制型差动位移传感器的研究专业班级：测控0801 学生姓名：朱彤 指导教师：鲍丙豪 职称：教授摘要 电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化

4、的一种传感器。结构简单、分辨率高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。目前在位移、振动、角度、加速度、压力、压差、液面和成分含量测量等方面获得广泛应用。然而，电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后，其信号十分微弱，不便于直接测量，所以为了测出被测非电量必须采用测量电路将其转换成电压、电流或频率信号。本论文主要研究的内容是电容式位移传感器及其测量电路。设计中电容器由三片相同的金属板构成，三块板平行放置，连成差动结构，然后配以脉宽调制信号处理电路从而实现对微小位移的检测。这种电路无需相敏检波电路即可判定产生位移的板的运动位置，由于采用差动结构，整体电路具有线性度高、灵敏度高

5、和温漂小的特点。设计时将系统分为两部分，即传感器制作部分和测量电路部分，通过分步测试调理，最后建立一个完整的实验系统，研制出一台微位移测试仪。当动极板与两固定极板的相对位置发生变化时，即产生相对位移时，电路的输出电压产生变化，电压变化与位移呈现线性关系。关键词：电容式传感器 差动结构 脉宽调制 微小位移 线性关系Study of Displacement Sensor Based on Pulse Width Modulated Differential CapacitorsAbstract The capacitive sensor is a type of sensor which is

6、used to convent the measured non electrical quantity to the changes of the capacity.It has many characteristics ,such as simple structure, high resolution.It can be used for non-contact measurement.Moreover,the capacitive sensor can also work under harsh conditions such as heat, radiation, and stron

7、g vibration.Now, it is widely used in the displacement, vibration, angle, acceleration, pressure, differential pressure, liquid level and component content measurement.However，after the capacitive sensors transform the measured non-electricity into the changes of the capacitance,the output signal is

8、 so weak that it can not be measured directly.So the measuring circuit is needed to change the measured non-electrical quantity into the voltage, current or frequency signals.The contents of this thesis are the design of the capacitive displacement sensor and its measurement circuit.In this design,t

9、he capacitor consists of three metal plates which are placed parallel,so it is connected as a differential structure.And then using a pulse width modulation signal processing circuit so that we can achieve the detection of small displacements.This circuit can judge the position of the board which ca

10、uses the displacement without a phase sensitive detection circuit.Due to the differential structure, the overall circuit has the following characteristics ,high linearity, high sensitivity and small temperature drift .The system is divided into two parts.One is the production of the sensor.The other

11、 is the measuring circuit portion.By a step-by-step test,we build a complete experimental system and develop a micro-displacement testing instrument.When the relative position of the moving plate and the two fixed plates which is called relative displacement changes,the output voltage of the circuit

12、 changes.There is a linear relationship between the voltage and the displacement.Key words :Capacitive sensors Differential structure Pulse width modulation Micro-displacement Linear relationship目 录第一章 绪论- 1 -1.1 本课题研究背景- 1 -1.2 本课题研究目的和意义- 1 -1.3 研究现状- 2 -1.4 本课题的任务和内容- 3 -第二章 电容式传感器的相关理论及其设计- 5 -2

13、.1 电容式传感器工作原理- 5 -2.2 电容式传感器的类型- 6 -2.2.1 变极距型电容传感器- 6 -2.2.2 变面积型电容传感器- 6 -2.2.3 变介电常数型电容传感器- 7 -2.3 电容式传感器等效电路- 8 -2.4 电容式传感器的灵敏度和非线性- 9 -2.5 电容式传感器特点及发展方向- 10 -2.5.1 电容式传感器的优点- 10 -2.5.2 不足之处- 10 -2.5.3 发展方向- 11 -2.6本论文传感器设计方案- 11 -2.6.1 提出方案- 11 -2.6.2 方案具体实施及注意点- 12 -2.7 本章小结- 13 -第三章 常用的电容式传感器

14、测量电路- 14 -3.1 调频电路- 14 -3.2 交流电桥电路- 15 -3.3 双T型充放电网络- 16 -3.4 运算放大器式电路- 16 -3.5 脉冲调宽型电路- 17 -3.6 本章小结- 18 -第四章 采用脉冲调宽原理设计的微小位移测量仪- 19 -4.1 测量电路结构及工作原理- 19 -4.2 测量电路元件选择- 22 -4.2.1基准电压源的选择- 22 -4.2.3比较器的选择- 23 -4.2.4双稳态触发器的选择- 24 -4.2.5非门芯片的选择- 25 -4.2.6低通滤波器的选择- 25 -4.2.7运算放大器介绍- 28 -4.3 测量电路元器件参数计算

15、与确定- 29 -4.4 本章小结- 29 -第五章 实验结果与误差分析- 30 -5.1 实验准备- 30 -5.1.1 实验器材- 30 -5.1.2 实验步骤- 30 -5.2 测量电路波形测试分析及传感器的搭建- 31 -5.2.1 测量电路的调试- 31 -5.2.2 传感器部分- 32 -5.3 数据测量与记录- 33 -5.4 误差分析- 34 -5.4.1 误差来源- 34 - 减小误差措施- 35 -5.5本章小结- 37 -第六章 课题总结与展望- 38 -6.1 课题总结- 38 -6.2课题展望- 38 -致 谢- 40 -参考文献- 41 -附录- 44 -第一章 绪

16、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，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。传感技术的发展

17、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

18、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。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

19、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、内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, 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

20、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范围大、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，国内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，国内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-5000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0.0025m，频率响应可达

21、到20kHz，线性度为±0.1，高温型探头抗温可达500，在16-35的情况下，温漂低于±0.1。德国米铱公司开发的capaNCDT620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，传感器工作温度范围-50-200。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，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 F

22、ig.1.1 Physical Map of Capacitive Fig.1.2 Physical Map of Precision Capacitive Displacement Sensor AS-5000 Displacement 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范围小。以德国米铱公司的电容式位移传感器为例，直径为40mm的电容式位移传感器检测范围仅为5mm；3、 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

23、装在一起的电容式传感器，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的不足。那么设计一种线性度好的电容检测电路，研究克服寄生电容、增大电容式位移传感器检测范围的方法，对今后电容式传感器的开发，扩大电容方式传感器的使用范围具有重要意义，这也是目前电容传感器需要突破的瓶颈所在。1.4 本课题的任务和内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的测量。具体要求如下：（1）建立实验系统，搭建整个测试系统；（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。本课题内容：第一章 介绍了本课题研究问题的背景，课题研

24、究的目的和意义及国内外相关领域研究现状。第二章 论述了电容式传感器的相关理论及平行板电容器的制作。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的微小位移测量电路，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2章 电容式传感器的相关理论及其设计本设计要求实现对微小位移的测量，这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

25、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 图2.1 平板电容器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 （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×F/m； r电容极板间介质的介电常数。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

26、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，则可以反映液面高度、材料的湿度等的变化15。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、密度的测定16,17。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

27、感器。由式（2.1）可知，当电容式传感器极板间距d 因被测量变化而变化时，电容变化量为，那么电容相对变化量为18 = （2-2）如果满足条件« 1，将上式按级数展开成 = （2-3）式中 极距为 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

28、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 = （2-4）式中 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 、 外圆筒内径和内圆柱外径。当两圆筒相对移动时，电容变化量为 = = = （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

29、（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，液面高度为，传感器总高度为，外筒内径为，则此时传感器电容值为 （2-6） （2-7）其中，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。2.3 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

30、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。 图中为传感器电容，为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；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图2.4 电容传感器的等效电路Fig.2.4 The Equivalent Circuit of The Capacitive Sensor 阻；为电容器及引线电感；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，

31、特别是在高频激励时，尤需要考虑的存在，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。 2.4 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，用表示。变极距式电容传感器只有在满足极板间初始距离远大于输入量时（即/ <<1 ），才能近似认为是线性的。其灵敏度为 = （2-8）式中 传感器的初始电容值； 极板间的初始距离。由此可知在使用

32、这种类型的传感器时，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 ，以满足 >>的条件，但增大会引起减小，因而灵敏度降低。且当较小时，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>>时，灵敏度为 = = （2-9）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。2.5 电容式传感器特点及发展方向2.5.1 电容式传感器的优点1、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。2、结构简

33、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。3、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。4、可以

34、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。2.5.2 不足之处1、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

35、境的影响。2、寄生电容影响大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。3、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。

36、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。2.5.3 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，

37、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。2.6本论文传感器设计方案2.6.1 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， 图2.5 差动式电容传感器结构Fig.2.5 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

38、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。2.6.2 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

39、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（2-1）计算得到，一般变极距电容式传感器的起始电容在20-100pF之间，在这里选取30pF，式中A即板间正对

40、面积，在这里即为圆板的面积。通过测量圆板半径为2.5cm，带入公式计算得到，板间初始距离=0.59mm。2.7 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。第3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T型充放电法等

41、等20，下面一一介绍。3.1 调频电路图3.1 调频电路原理框图Fig.3.1 Block Diagram of Frequency Modulation Circuit这种电路是把电容式传感器作为振荡器谐振电路的一部分。当被测量使电容发生变化时，就使振荡频率产生相应变化。由于振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，故称为调频电路。图3.1所示为调频电路的原理框图。图中的调频振荡器的频率由下式决定： （3-1）式中 振荡回路的电感； 振荡回路的总电容。一般是由传感器电容 ，振荡回路的固有电容和传感器电缆分布电容 所组成。当被测量没有变化时， =0，则 = 为一常数，所以振荡器的频率是一个固定频率

42、, （3-2）当被测量改变时， 0，振荡频率也有一个相应的改变量 ，此时振荡频率为 （3-3）振荡器输出的高频电压是一个受被测信号调制的调频波，其频率由上式决定。这类测量电路灵敏度高，可以测至0.01m级位移变换量，且为频率输出，易于和数字式仪表及计算机连接，可以发送、接收以实现遥测遥控。另外抗干扰能力强，能获得高电平的直流信号。缺点是振荡频率受温度和电缆电容的影响大；线路复杂，且不易做得很稳定；输出非线性较大，需误差补偿21。3.2 交流电桥电路电容式传感器的电桥测量电路形式很多，在工程实际应用中较为广泛是变压器电桥，电路结构如图3.2所示。 图3.2 变压器电桥Fig.3.2 Transf

43、ormer Bridge其原理是将电容传感器接入交流电桥的一个臂或两个相邻臂，另两臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。测量时被测量变化导致传感器电容变化引起电桥失衡，电桥输出电压变化。这种电路对于变极距式传感器，存在较大的非线性误差，它只有在负载阻抗极大时输出特性成线性。另外它不具备自动平衡措施，构成较复杂23。3.3 双T型充放电网络 图3.3 二极管双T型电路Fig.3.3 Diode Circuit of Double T-type电路原理如图3.3所示。供电电压是幅值为、周期为、占空比为50%的方波。电源正半周时，短路，开路，电容被充电。假设,通过推导可得到流过电容

44、的平均电流： (3-4)同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为 （3-5）故在负载RL上产生的电压为 （3-6）可见，输出电压与电容差值成正比关系。该电路适用于各种电容式传感器。它有如下应用特点和要求24：（1）电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；（2）当二极管工作于高电平下时，测量的非线性误差很小；（3）电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；（4）将D1、D2，R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容的影响；线路简单；（5）输出电压较高；（6）电路的输出阻抗仅与R1、R2及RL有关，而与电容C1、C2无关；（7）可进行动态测量。3.4 运算放大器式电路最大特点

45、：能克服变极距型电容传感器的非线性25 图3.4 运算放大器式电路Fig.3.4 Operational Amplifier Circuit是传感器电容是固定电容是输出电压信号 由运算放大器工作原理可知 （3-7） （3-8） （3-9）结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性，假设放大器开环放大倍数=¥，输入阻抗=¥，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般和足够大，所以这种误差很小。 3.5 脉冲调宽型电路由于本设计主要研究的就是该电路，在此章节不赘述，具体内容将在下一章中详细介绍，在此简要说明一下该电路的特点。差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的

46、宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号。差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的电压，对输出矩形波的纯度要求也不高26。3.6 本章小结通过对电容位移传感器的各种测量电路进行分析，发现电容位移传感器性能的好坏关键在于测量转换电路的设计。而目前不管是哪一种类型的电容位移传感器，其都存在着抗干扰性差、漂移明显的问题，而这两个问题也成为制约电容传感器发展的瓶颈。分析其原因27,28，一方面整个测量电路中，分立阻容元件非常多、集成度低，电路特性受到诸多参数的影响，

47、因此很难保证较高的稳定性；用到了大量的放大器、模拟滤波器等产生零点漂移的元器件，导致工作过程中漂移现象明显。另一方面，传统电容位移传感器由于测量电路庞大复杂，普遍采用与测头分立式设计，被测模拟量从测头输出要经过电缆传输给测量电路进行处理，模拟量在这一段传输过程中，又引入了电缆电容，该电容值高达上百，并与传感器电容并联，降低了传感器灵敏度，电缆摆放位置和其形状变化都将引起电缆电容发生变化，使得传感器工作不稳定。因此在电路搭建过程中应注意这些问题，尽可能的体现出电路的优点。第四章 采用脉冲调宽原理设计的微小位移测量仪4.1 测量电路结构及工作原理 图4.1 差动脉冲调宽电路Fig.4.1 Diff

48、erential PWM Circuit如图4.1所示的差动脉冲调宽电路图。第一差动电容和第二差动电容为被测差动电容。第一比较器的同相输入端连接参考电压，第一比较器的反相输入端与第一差动电容的一端连接，电容的另一端接地，第一比较器的输出端与一个双稳态触发器的第一输出端连接；第二比较器的同相输入端连接参考电压，反相输入端与第二差动电容的一端连接，电容另一端接地，第二比较器的输出端与触发器的第二输入端连接。双稳态触发器的输出端各连接一个电阻、，同时在电阻两端各并联一个二极管、，电阻的另外一端连接差动电容的一端（非接地端）。最后从双稳态触发器的两个输出端各引出一根导线通过低通滤波器，即可得到输出电压

49、29,30。电路结构如上所述，下面介绍该电路的工作原理。当接通电源后，假若触发器端为高电平（设为），端为低电平（0），这触发器通过电阻对电容充电；当点电位升到与参考电压相等时，比较器产生一个脉冲使触发器翻转，从而使端为低电平，端为高电平（）。此时，电容通过二极管迅速放电至零，而触发器端经向充电；当点电位与参考电压相等时，比较器输出一个脉冲使触发器翻转，如此交替激励，循环上述过程。该过程可简化为下面的流程： 触发器两端输出极性相反、宽度取决于和的脉冲。有分析可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容、调制。当=时，各点的电压波形如图4.2a所示，和两端电平的脉冲宽度相等，、两点

50、间的平均电压值为零。当时，各点的电压波形如图4.2b所示，有图可见，、两点间的平均电压值不为零31,32。 （a） （b）图4.2 各点的波形图Fig.4.2 The Waveform Graph of Each Point 根据电路知识可知：、两点的电位分别是 ， （4-1）其中，、-点和点的矩形脉冲的直流分量； 、-分别为和充电至的所需时间； -触发器输出的高电位。、的充放电时间、为： ， （4-2）、两点间的电压经过低通滤波器滤波后获得，等于、两点电位平均值与之差，即 （4-3）设,再把、代入式（4-3），则得 （4-4）式（4-4）说明差动脉宽调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成

51、正比。对于差动式变极距型电容传感器，把平行板电容器的公式代入式（4-4）中可得 （4-5）当差动电容，即时，；若，设，即 ，则式（4-4）即为同样，对于差动式变面积型电容传感器来说，则有 （4-6）设电容初始有效面积为，变化量为，则滤波器输出为： （4-7） 由此可见，对于脉宽调制电路，不论改变平行板电容器的极板面积或是板间距离，其变化量与输出量都呈线性关系。总之，差动脉宽调制电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经过低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要

52、求也不高。这些特点都是其他电容测量电路所无法比拟的。但是，要实现脉宽调制必须做到33：（1）使参考电压小于触发器输出高电平；（2）当电容充电电压大于参考电压时，要能引起比较器产生脉冲信号，使双稳态触发器翻转；（3）双稳态触发器必须一端高电位，另一端低电位，不能同时存在高电位或低电位。另外，为消除分布电容的影响，调宽线路比较器采用集成电路，要求高分辨能力、高动态响应、高输入阻抗。此外，两比较器性能应尽量相同，温度输入漂移应低34,35。所以在选择元器件时应注意这些细节。4.2 测量电路元件选择电路中涉及的元器件有：电压源、比较器芯片、双稳态触发器、非门芯片，电阻电容，二极管等，下面一一介绍。4.2.1基准电压源的选择总电路需要一个稳定的基准电压源提供电压。选择YB1731A 5A双路直流稳压电源，该电源有如下特点：