燕山大学
课程设计说明书
题目：差动变面积式电容位移传感器设计
学院（系）：电气工程学院
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学生姓名：
指导教师：
提交日期：2012年1月6日
燕山大学《传感器原理与设计》任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：仪器科学与工程系
摘要
差动式电容传感器灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效的改善高温等环境影响造成的误差，因而在许多测量场合中被广泛应用。
把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。本设计采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。因此，本设计中采用了运算放大器，相敏检波器，以及低通滤波器等电路设计，并对这些单元电路进行了原理分析，通过参数的确定，实现位移向电压的转变。
在本次设计中还涉及了寄生电容的消除，以及测量过程中的误差分析，从而保证了测量的精度和准确度。
目录
一、绪论 (5)
二、方案设计 (7)
2.1 设计分析 (7)
2.2设计思路 (7)
2.3差动变面积式电容位移传感器介绍 (8)
2.4差动变面积式电容位移传感器测量电路 (9)
2.5 电容器的选择及参数设计 (12)
三、寄生电容的消除 (11)
四、单元电路的设计 (14)
4.1 电桥电路的设计 (14)
4.2振荡电路的设计 (17)
4.3 放大电路的设计 (18)
4.4相敏检波器的设计 (20)
4.5低通滤波器的设计 (21)
五、误差分析 (22)
六、心得体会 (23)
七、参考文献 (24)
一、绪论
传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合性技术科学，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大的促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已经成为了测试测量中不可或缺的一部分。因此，学习、研究并在实践中运用传感器技术是具有重大意义的。
本课程设计力图通过对常用传感器的设计运用，使我们更加深刻的认识理解并且运用传感器，并且将理论知识转化到实际运用方面，以培养我们学以致用的能力。
电容传感器是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
优点：1.其温度稳定性好:电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电机的几何尺寸和介质，且空气介质等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和结构尺寸即可，电容传感器工作室本身发热极小，影像稳定性甚微。
2.结构简单且适应性强：电容传感器的结构简单，易于保证高的精度。一般用金属做电极，无机材料做绝缘支架，可以做得非常小巧。在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下都能正常工作。
3.静电力小。忧郁极板间存在着静电场，因此极板上作
用着静电引力或静电力矩。一般来说，这种景点引力是很小的，因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电考虑静电引力造成的测量误差。
4.动态响应好：由于极板间的静电引力小，需要的作用能亮极小，因此其固有频率很高，动态响应时间短.
5.可实现非接触测量并且有平均效应。在被测件不能受力或高速运动等不允许接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。
但是电容式传感器的一些缺点也是不可忽视的:
1.输出阻抗高并且负载能力差.电容式传感器的容量受其几何尺寸等限制，不易做的太大，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，必须采取平屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗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映像仪器的性能，为此还要特别注意周围环境如湿度、清洁度等。若采取高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不宜保证工作的稳定性。
2.寄生电容影响大：传感器的初始电容很小，而传感器的引线电缆电容（1~2m导线电缆电容可达800pF）测量电路的杂散电容以及传感器极板与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，使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有严格的要求，例如采取屏蔽性好、自身分布电容小的导线作为引线，引线粗
而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等，否则不能保证高的测量精度。
二、方案设计
2.1 设计分析
本文主要是设计差动变面积式电容位移传感器，以及测量电路的设计。利用电容式传感器非接触测量的特性，测量微小位移的变化，由于位移的变化引起电容的变化，将电容的变化量转换成电压的变化，由电压的变化测出位移的变化量。本设计主要目的是如何利用设计的差动变面积式位移传感器与转换原件，尽量消除外界干扰引起的误差，高精度测出位移的变化量。
2.2设计思路
电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。其总体原理框图如图
2.3差动变面积式电容位移传感器介绍
差动式电容传感器灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效的改善高温等环境影响造成的误差，因而在许多测量场合中被广泛应用。
图1.差动电容简图图2 电容式传感器等效电路
图1为差动式圆柱形电容传感器的原理简图，此传感器由三个圆柱形电容极板组成，中间为气体介质，两两构成电容器。当中间的极板上下移动式，它与上下两个极板组成的电容器的面积就会改变，当中间电容极板向上移动时，与上边极板间面积增大，与下极板间面积减小；反之，当中间极板向下运动时，与上极板面积减小，与下极板间的面积增大。所以导致两个柱形电容总能保持一个增大一个减小的状态，由此构成了差动电容。
柱形电容器的计算公式通常表示为：
C = 2 π ε H / ln(D/ d)
其中H 为柱高，D为外半径，d为内半径，ε 为介电系数。
如果用k = 1/(4 π ε0) 表示，其中ε0为真空介电系数，则有ε = εr
ε0 = εr / (4 π k)。得：
C = 2 π εr H / ln(
D / d)
= H / (2 k ln(D/ d))
其中εr 为相对介电系数
电容的变化量ΔC=Co-C=2πεL
Ln D
d
?πεx
Ln D
d
=2πεL?x Ln D
d
=
2πεΔx Ln D/d
灵敏度: K=ΔC
Δx
=2πε
Ln D/d
2.4差动变面积式电容位移传感器测量电路
图一所示为差动电容式位移传感系统示意图包含转换电路和检测电路两部分。C1和C2为差动电容，与变压器复边组成转换电桥，用于提取位移信号。由振荡器提供高频交流正弦激励电压信号驱动此电桥，输出电压信号经运算放大器使其信号放大，提高了分辨力，再经相敏检波器进行整流将交流信号转变为直流，
再经低通滤波器将信号输出。
图3变压器电桥测试电路
差动电容式传感器一般采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化，如图4所示。变压器淀桥的两个平衡臂是变压器的次级绕组，另外两个为差动电容传感器的电容。变压器电桥具有使用原件最少，桥路内阻最小的特点。
电桥输出电压为
Uo=E C1
?
E
=
E2C1
?1=
E C1?C2 =
EΔC
C = 2 π εr H / ln(D/ d)
推出
U=E
2
Δd
d
Uo经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压Usc大小与位移成线性关系，其正负极性反映唯一的方向。
2.5电容器的选择及参数设计
根据Ｃ＝２πεL／Ln（D/d）,当内圆筒电极发生x变化时，电
容发生变化ΔC=
2πεΔx
Ln D/d
U=E
2
Δd
d
.
灵敏度K=ΔC/X=2.3pF/mm根据灵敏度可计算D和d.（附注：为减少边缘效应的影响本设计中采用圆柱式变面积传感器）
参数计算：Ｃ＝２πεL／Ln(D/d) ε=εrεo
介质：空气（相对真空介电常数约等于1）
外圆筒电极直径：Ｄ＝
内圆筒电极直径：ｄ＝
Ｋ＝ΔC/X=2.3pF/mm＝
４πεＸ
Ln（D/d）
x
4
经计算D／d=1.049
三、寄生电容的消除
电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大，不仅
降低了传感器的灵敏度，而且这些电容是随机变化的，使得仪器工作很不稳定，从而影响测量精度，甚至使传感器无法正常工作，所以必须设法消除寄生电容对电容传感器的影响。以下对消除电容传感器寄生电容的几种方法进行分析。
3.1.增加初始电容值法
采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。由公式C0 =可知，采用减小极片或极筒间的间距d0，如平板式间距可减小为0.2 毫米，圆筒式间距可减小为0.15毫米；或在两电极之间覆盖一层玻璃介质，用以提高相对介电常数，通过实验发现传感器的初始电容量C0不仅显著提高了，同时也防止了过载时两电极之间的短路；另外，增加工作面积A或工作长度也可增加初始电容值C0。不过，这种方法要受到加工工艺和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等的限制，一般电容的变化值在10-3～103pF之间。
3.2.整体屏蔽法
屏蔽技术就是利用金属材料对于电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。根据电磁干扰的特点选择良好的低电阻导电材料或导磁材料，构成合适的屏蔽体。屏蔽体所起的作用好比是在一个等效电阻两端并联上一根短路线，当无用信号串入时直接通过短路线，对等效电阻无影响。整体屏蔽法是解决电容传感器寄生电容问题的很好的方法，其缺点就是使得结构变得比较复杂。
3.3.集成法
将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内，省去传感器
至前置级的电缆，这样，寄生电容大为减小而且固定不变，使仪器工作稳定。但这种做法因电子元器件的存在而不能在高温或环境恶劣的地方使用。也可利用集成工艺，把传感器和调理电路集成于同一芯片，构成集成电容传感器。
3.4.运算放大器驱动法
利用运算放大器的虚地减小引线电缆寄生电容Cp。如图所示，电容传感器Cx的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/(1+A),大大减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采取双屏蔽电缆，其外屏蔽层接大地，干扰影响就更小了。开环放大倍数A越大，精度越高。选择足够大的A值可保证所需的测量精度。
图4.运算驱动放大器原理图
3.5.采用“驱动电缆”技术
当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因（如环境温度较高），测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”（双层屏蔽
等位传输）技术，即传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线通过增益为1的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容，如图所示。采用这种技术可使电缆长达10m 之远也不影响一起的性能。
四、单元电路的设计
4.1 电桥电路的设计
变压器电桥转换电路具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性等优点，但是也具有一些缺点，例如：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使增益放大器不能工作。电路原理图如图3所示。平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗无穷大时，流入工作臂的电流为I
=
E
Z1+Z2
Usc =E Z1+Z2Z2?E 2=E 2Z1?Z2
Z1+Z2
初始Z1=Z2=Z=Rs+jwL ,故平衡时，Us c=0.双臂工作时，
设Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ ,
相当于差动式自感传感器的衔
铁向同一侧运动，则
Usc=E
×
ΔZ
同理反向移动时
Usc=?E
2
ΔZ
Z
可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大小相等、方向相反，即相位互差180度，可反映衔铁移动的方向。但是，为了判别交流信号的相位，絮接入专门的相敏检波电路。
图5. 变压器电桥原理图
C1、C2 为电容式传感器的电容。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为：
Uo=
U Z2?Z1
以Z1=1/jwc1,Z2=1/jwc2带入到Uo=U
2
C1?C2 C2+C1
可得
Uo=U
2
Δd
d
4.2 振荡电路的设计
多谐振荡电路是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动的产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又将矩形波振荡器称为多谐振荡器。
图6. 对称式多谐振荡器
图为对称式多谐振荡器的电路图，由两个TTL反相器经电容交叉耦合而成，通常令C1=C2，R1=R2=Rf。为了使静态时反相器工作
在转折区，具有较强的放大能力，应满足Roff (1)工作原理 假定接通电源后，由于某种原因使ui1有微小正跳变，则必然会引起如下的反馈过程： 使u o1迅速跳变为低电平、u o2迅速跳变为高电平，电路进入第一暂稳态。 以后，uo2的高电平对C1电容充电使uI2升高，电容C2放电使ui1降低。由于充电时间常数小于放电时间常数，所以充电速度较快，uI2首先上升到G2的阈值电压UTH，并引起如下的正反馈过程： 使uo2迅速跳变为低电平、uo1迅速跳变为高电平，电路进入第二暂稳态。 此后，C1放电、C2充电，C2充电使ui1上升，会引起有一次正反馈过程，电路又回到第一暂稳态。 这样，周而复始，电路不停的在两个暂稳态之间震荡，输出端产生了矩形脉冲。 (2)参数设计： 电源电压可选择U=6V 振荡周期T≈1.4R f C 当取Rf=1KΩ、C=0.1uF时，T≈1.4×10?4s 振荡频率f=1 T =7.1 kHz 4.3 放大电路的设计 将运算放大器应用与电路的最大特点是能尽量克服电容式传感器中影响输出的非线性的因素，提高分辨率。使输出信号能与输入机械位移成线性关系。图为高频输入阻抗差分放大器，应用十分广泛，从仪器测量放大器，到特种测量放大电路，几乎都能见到其踪迹。 图8.差分放大电路 从图中可以看到A1、A2两个同相运放电路构成输入级，在与差分放大器A3串联组成三运放差分放大电路。电路中有关电阻保持严格对称，具有以下几个优点： 1.A1和A2提高了差模信号与共模信号之比，即提高了信 噪比； 2.在保持有关电阻严格对称的条件下，各电阻阻值的误 差对核电路的共模抑制比K没有影响； 3.电路对共模信号几乎没有放大作用，共模电压增益接 近于零。因为电路中R1=R2、R3=R4、R5=R6，故可 导出两级差模总增益为： 通常，第一级增益要尽量高，第二级增益一般为1~2倍，这里第一级选择100倍，第二级为1倍，则取R3=R4=R5=R6=10KΩ，要求匹配好，一般用金属膜精密电阻，阻值可在10 KΩ到几百KΩ间选择。则先定Rp通常在1KΩ~10 KΩ内。这里取Rp=1 KΩ,则可由上式求得Rl=99Rp/2=49.5 KΩ取标称值51 KΩ。通常Rs1=Rs2=510,用于保护运放输入级。A1和A2应选用低温飘、高K的运放，性能一致性要好。 4.4相敏检波器的设计 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路，对两个信号之间的相位进行检波。工作原理如下：新号通道把输入的被测信号选频放大后，输给相敏检波器的一端；参考通道在参考信号的触发下，输出相位可调的、与输入信号同频的占空比1：1的方波；相敏检波器比较两路信号后输出直流信号；直流放大器经过低通滤波和进一步放大后输出 直流信号，其幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例。相敏检波器是相关检测的核心部件，它决定了测试系统的准确度以及弱信号检测水平。它的作用有两个：一是抑制噪声，二是实现对正弦信号或调频信号进行幅值和相位的检测。 应当指出：相关检测用于测量深埋于噪声中的、微弱的频域信号，由于是基于频域相干检测原理，它处理的信号，必须是某一频率的周期函数。若原来的被测信号是缓变新号，则首先必须调制成频域信号，才能进行后续的相关检测。电路图如图所示： 图9.相敏检波器 从图中知道，用JFET做开关器件，当U3out>0时，其导通，U4A 正极为0电位，信号从负极输入，放大倍数是-R11/R8=-1,此时，U1out>0;当U3out<0时，JFET截止，信号从正极输入，放大倍数是1，此时U1out<0。因此，相敏检波实现了信号的判别，只是与原信号相差一个负号。 差动变压器及其应用 一、差动变压器简介（摘自日刊《传感器技术》1986年5月专号） 差动变压器是一种将机械位移变换成电信号的电磁感应式位移传感器。它主要是靠圆筒线圈内的可动铁芯的位移，在圆筒线圈的输入线圈和输出线圈之间建立起相互感应关系，可动铁芯的位移可以通过测定与其成正比的输出线圈的感应电压来获得。 1、差动变压器的特点 （1）线性范围的种类很多，容易根据用途进行选择，通常在±2mm～±200mm级之间有10个左右类型的品种。 （2）结构简单，所以耐振性和耐冲击性都很强。 （3）不磨损，不变质，耐久性优良。 （4）输出电压对铁心的位移有精确的比例，即直线性好。一般这种传感器中全行程偏差小于1%，在高档品可以保证在±0.2%～±0.3%。 （5）因为灵敏度高，可以获得大的输出电压，不要求外围电路高级化也能检测到微小的位移。 （6）因为输出变化平滑，故能进行高分辨率的检测。 （7）零点稳定，以其作为测定的基准点对维持精度有好处。 （8）能够得到从500Hz到100Hz的高的响应速度。 2、差动变压器原理 差动变压器的构造原理如图1-1所示，由圆筒形线圈和与其完全分离的铁芯构成。典型的差动变压器的圆筒线圈有三只，各是总长度的三分之一，中间是一次线圈，两侧是二次线圈。加入圆筒线圈中的铁芯用来在线圈中链接磁力线而构成磁路。 当在中间的一次线圈加上交流电压时（即激磁），由于与两端线圈的互感就产生了电动势（这一点与普通变压器相同）。 因为二次线圈彼此极性相反地串联，两个二次线圈中的感应电动势相位相反，将其相加的结果，在输出端产生二者的电位差。相对于线圈长度方向的中心处，两个二次线圈的感应电压大小相等方向相反，因而输出为零。这个位置被称为差动变压器的机械零点（或简称为零点）。当铁芯从零点相某一方向改变位置时，位移方向的二次线圈的电压就增大，另一个二次线圈的电压则减小。 产品设计保证产生的电位差与铁芯的位移成正比。当铁芯从零点向与刚才相反的方向移动 第6章电容式传感器 一、单项选择题 1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。 A. 保持不变 B.增大一倍 C. 减小一倍 D.增大两倍 2、差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。 A．C1-C2 B. C1-C2/C1+C2 C. C1+C2/C1-C2 D. ΔC1/C1+ΔC2/C2 3、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（） A．灵敏度K0增加B．灵敏度K0不变 C．非线性误差增加D．非线性误差减小 4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。 A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小 C．非线性误差增加 D．非线性误差不变 5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。 A．变间隙式 B．变面积式 C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式 6、电容式传感器通常用来测量（）。 A．交流电流 B．电场强度 C．重量 D．位移 7、电容式传感器可以测量（）。 A．压力 B．加速度 C．电场强度 D．交流电压 8、电容式传感器等效电路不包括（）。 A. 串联电阻 B. 谐振回路 C. 并联损耗电阻 D. 不等位电阻 9、关于差动脉冲宽度调制电路的说法正确的是（）。 A. 适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器 B. 适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性 C. 适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性 D. 适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性 10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（） A．调频测量电路 B．运算放大器电路 C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路 11、在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关 A．仅电源电压的幅值和频率 怎么判断位移传感器的好坏 现代位移传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用位移传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当位移传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于位移传感器的选用是否合理。 1、根据测量对象与测量环境确定位移传感器的类型 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的位移传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的位移传感器可供选用，哪一种原理的位移传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和位移传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小;被测位置对位移传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法，有线或是非接触测量;位移传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的位移传感器，然后再考虑位移传感器的具体性能指标。 2、灵敏度的选择 通常，在位移传感器的线性范围内，希望位移传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，位移传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。位移传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的位移传感器;如果被测量是多维向量，则要求位移传感器的交叉灵敏度越小越好。 3、频率响应特性 位移传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上位移传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。 实验报告 实验项目名称：差动变面积式电容传感器的静态及动态特性同组人 试验时间年月日，星期，节实验室K2，508传感器实验室指导教师高海洲一、实验目的 了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。 二、实验原理 电容式传感器是将位移、压力、振动点转换成电容量变化的传感器。电容式传感器的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成，电极之间以空气为价值的电容器。电容式传感器有多种形式，本试验仪中用的是差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装与振动态的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应的变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定位C×1，下层定片与动片形成的电容定为C×2，当将C×1和C×2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。 三、所需单元及部件 电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器。 有关旋钮的初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表置于2V档。 1、STIM-01模块、STIM-08模块、STIM-09模块、电容传感器。 2、±15V电源、万用表。 3、电子连线若干。 四、实验步骤 （1）按图四接线。 0-2V 电压表 图四. 电容式传感器位移实验接线图 （2）F/V表打到20V档，调节测微头，使输出为零。 （3）转动测微头，每次0.5mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）定片覆盖面积最大为止。填入表1 位移（mm）-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.5 1 1.5 2.0 2.5 电压（mv） 摘要 ------差动变压器位移传感器的基本知识介绍传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很薄弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大等。 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感或互感变化的机电转换装置。它也常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物理量。 电感式传感器的种类很多。根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感应同步器等。根据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种。根据改变的参数不同，又可分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁芯导磁率式三种。 电感传感器具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好；输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。电感传感器的缺点是：频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号；要求附加电源的频率和幅值的稳定度高；其灵敏度、线性度和测量范围相互制约，测量范围越大，灵敏度越低。 关键字：相敏检波转换电路差动变压器 目录 第一章螺线管式差动变压器传感器---------------------3 1）工作原理-------------------------------------------3 2)特性分析---------------------------------------------4 第二章差动变压器的测量电路---------------------- ---5 1）差动整流电路及其仿真--------------------------5 2）相敏检波电路及其仿真--------------------------7 3）零点残余误差补偿--------------------------- ----9 第三章差动变压器的改进-------------------------------10 1)接放大器---------------------------------------------10 2)接低通滤波器---------------------------------------11 第四章设计总结------------------------------------- -----13 参考文献------------------------------------- -----13 第3章电容式传感器思考题答案 1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容的灵敏度为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题 答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x 后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 C=εb （a-△x ）/d=C 0-ε b ·△x/d （1） 电容因位移而产生的变化量为其灵敏度为 d b x C K 可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度。 直线位移型电容式传感器 2.为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的采取什么措施可改善其非线性特征答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动 极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离 d 发生变化，从而改变 了两极板之间的电容量 C 。 设极板面积为 A ，其静态电容量为 d A C ，当活动极板移动x 后，其电容量为 2 20 11 d x d x C x d A C (1) 当x< lvdt位移传感器是目前位移测量当中广泛应用的传感器之一,在很多应用领域占有重要地位。 lvdt位移传感器工作原理 LVDT(差动变压器位移传感器为电磁感应原理,与传统的电力变压器不 同,LVDT是一种开磁路弱磁耦合的测量元件。LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成,初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上,线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。用不同线径的漆包线,在骨架上绕制一组初级线圈,两组次级线圈,其工作方式依赖于在线圈骨架内磁芯的移动,当初级线圈供给一定频率的交变电压时,铁芯在线圈内移动就改变了空间的磁场分布,从而改变了初、次级线圈之间的互感量,次级线圈就产生感应电动势,随着铁心的位置不同,互感量也不同,次级产生的感应电动势也不同,这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。 lvdt位移传感器主要特点: 1、使用寿命长:由于铁芯和线圈内壁存在间隙,铁芯在运动的时候与线圈不接触,无摩擦损耗;同时采用优良的生产工艺把骨架和所绕漆包线两者固化为一整体,不会产生断线,开裂等故障,加上其它的优化设计,因此传感器的使用寿命理论上可以是无限的,据国外某机构测试此类传感器的MTBF可达到30万小时,在实际的正常使用中可达到数十年,其最终故障往往是人为造成或变送器电路元器件的寿命决定的。 2、多样的环境适应性:LVDT是少数几种可以应用在多种恶劣环境下的位移传感器,通过特殊方式进行密封处理的传感器可以防潮、防盐雾,可以放置于承压的液体中、气体密闭容器中,甚至于某些腐蚀性环境中,对核辐射电磁辐射干扰不敏感,能抗振动,具有较宽的工作温度范围-25℃~85℃和满足国军标—55℃~125℃工作温度。机电分体的位移传感器单独使用可以在200℃下工作。 3、响应速度快:基于非接触测量的实现,对于某些快速运动物体的冲击振动测量,此类传感器可以提供很宽的频率响应。 课程设计任务书 目录 1摘要 (2) 2引言 (4) 3.螺线管式差动变压器传感器 (4) 3.1差动变压器式传感器简介 (4) 3.2 工作原理 (4) 4.差动变压器的测量电路及其仿真 (6) 4.1差动整流电路 (7) 4.2相敏检波电路： (9) 4.3零点残余误差补偿 (13) 5.差动变压器位移传感器的改进 (14) 5.1差动电压接放大器电路及其仿真 (14) 5.2整流信号接滤波电路 (15) 6.使用器件清单 (17) 7 总结 (17) 1.摘要 ------差动变压器位移传感器的基本知识介绍 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很薄弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大等。 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感或互感变化的机电转换装置。它也常用来检测位移、振动、力、应变、流量、比重等物理量。 电感式传感器的种类很多。根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感应同步器等。根据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种。根据改变的参数不同，又可分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁芯导磁率式三种。 电感传感器具有以下优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好；输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。电感传感器的缺点是：频率低，动态响应慢，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号；要求附加电源的频率和幅值的稳定度高；其灵敏度、 第六节电容式传感器 以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容式传感器。电容式传感器在力学量的测量中占有重要地位，它可以对荷重、压力、位移、振动、加速度等进行测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好等许多优点，因此，在自动检测技术中得到普遍的应用。 一、电容式情感器的工作原理 现以平板式电容器来说叫电容式传感器的工作原坝。电容是由两个金属电极，中间有腰电介质构成的，如图4．36所示。出合构极板N加3： 电压时，电极广就盒贮存有电荷．所以电容器实际6： 是—个储存电场能的元件。平板式电容器在忽略边缘6A质 效应时，其电容虽(：可长尔为 C—：半—l‘d4／J (‘——电容量(F)； e一两极板间介质的介电常数(F／m)； ‘，一一两极板间介质的相对介电常数； q一一真空的介电常数，等于8．85xlo 4——极板的面积(m’)； J——极板间的距离(m)。 从上式可知，当其中的允、J、q中的任一项发生变化时，都会引起电容量c的变化。在 实际使用时，常使4、6f、q参数中的两项固定，仅改变其中—个参数来使电容量发生变化、根 据上述工作原理．电容式传感器可分为三种类型，即改变极板面积的变面积式，改变圾板距离的变间隙式。改变介电常数的变介电常数式。在力学传感器中常使用变间隙式电容传感器。 二、电容式传感器的特点 (1)结构简单．性能稳定 (2)阻抗高，功率小；。 (3)动态响应好，灵敏度高，分辨力强： (4)没有由于振动引起的漂移； (5)闭试导线分布电容对测旦误差影响较大； (6)电容量的变化与极板间距离变化为非线性。 表小5列出了电容式与压电式、应变式、压阻式传感器之间的特性对比。从表中可以 [8] ANALOG DEVICES. LVDT signal conditioner AD598. 一、引言 差动变压器式传感器的特点是灵敏度高、分辨力大，能测出0.1um更小的机械位移变化;传感器的输出信号强，有利于信号的传输；重复性好，在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定，因此广泛应用于压力、位移传感器的设计制造中，尤其在航空、航天等环境恶劣、环境温度高的压力测量方面，也得到了广泛的应用。 二、方案论证 1.参数要求 给定原始数据及技术要求 1）.最大输入位移为100mm 2）灵敏度不小于80V/m 3）非线性误差不大于10% 4）零位误差不大于1mv 5）.电源为9v，400HZ 6）.最大尺寸结构为160mmX21mm 2.方案讨论 根据给定技术要求选择电感变换元件的类型及测量电路的形式，如图1所示 图1、传感器的组成框图 1）传感器电感变换元件类型的选择 （1）测量范围小，如位移零点几微米至数百微米，且当线性范围也小时，常用E形 或II形平膜硅钢片叠成的电感式传感器或差动变压器。 (2) 螺线管，常用于测量1mm以上至数百毫米的大位移，其线性范围也较大。2）测量电路的选择 测量电路主要依据选定的电感变换器的种类、用途、灵敏度、精度及输出形式等技术要求来确定。 3.螺管型差动变压器的工作原理 差动输出电动势为。所以，差动变压器输出电动势为两副边线圈互感之差的函数。 螺管型差动变压器结构复杂，常用二节式、三节式、一节式的灵敏度高，但三节式的零点较好。 差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以 1．答： 差动式电容传感器的灵敏度比单极式提高一倍，而且非线性也大为减小。2．答： 原理： 由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为C=εS/D 式中ε为两个极板间介质的介电常数，S为两个极板对有效面积，D为两个极板间的距离。由此式知，改变电容C的方法有三： 其一为改变介质的介电常数； 其二为改变形成电容的有效面积； 其三为改变各极板间的距离； 而得到的电参数的输出为电容值的增量这就组成了电容式传感器。 类型： 变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。电容传感器的应用： 可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、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、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。 3．答： 可选用差分式电容压力传感器，通过测量筒内水的重力，来控制注水数量。或者选用应变片式液径传感器。 4．答： ①优点：a温度稳定性好； b结构简单、适应性强；c动响应好； ②缺点：a可以实现非接触测量，具有平均效应；b输出阻抗高、负载能力差；c寄生电容影响大 ③输出特性非线性： 电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。 使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。 5．答： a.磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来测量的一种装置。 b.磁电式传感器具有频响宽、动态范围大的特点。而电感式传感器存在交流零位信号，不宜于高频动态信号检测；其响应速度较慢，也不宜做快速动态测量。 c. 磁电式传感器测量的物理参数有：磁场、电流、位移、压力、振动、转速。 6．答： a.霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。 b.霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。 1. 基磁绕组长度b 的确定 由于 ?? ? ? ? ???=?=?-=max 2 22221l l b k l k r 有 b= γ 2max l ?（2-2） 取非线性误差 1.5%=γ; 最大动态范围max l ?=4mm; 由式2-2求得激励绕组长度b=23.09mm; 2k =9.38410-?。 2. 衔铁长度c l 的确定 2 12l b d l l c +++=（2-3） 式2-3中 1l 、2l --衔铁在两个副边绕组m 中的长度； d --初次线圈间骨架厚度； b --原边线圈的长度； m --两副边绕组长度。 初始状态时有021l l l ==，则衔铁的长度c l 为 b d l l b d l l c ++=+++=)(22000（2-4） 设计时，一般取b =0l ，故有d b l 23+=，通常取b d <<，则有式2-5 b l c 3=（2-5） 求得c l =69.27mm; 取骨架厚度d=1.5mm 。 3. 副边线圈m 的确定 假设： （1）衔铁插入到两个副边绕组的长度分别为1l 、2l ，且在初始状态时： 021l l l ==； （2）最大动态范围max l ?为已知给定值。则δ+?+=m ax 0l l m 应该成立，才能保证衔铁工作时不会超出线圈以外。一般取b l =0，则有式2-6 δ +?+=m ax l b m （2-6） 式2-5中，δ—保证在最大动态范围max l ?时衔铁仍不会超出线圈之外的保险余量。一般取 mm mm 10~2=δ，在b 值较小时，δ值可取大一些。 此处取mm 10=δ，求得m =37.09mm 。 4. 衔铁半径c r 和骨架外径R 的确定 一般衔铁长度c l 与衔铁半径c r 之比可取为 20=c c r l (2-7) 骨架外径R 与内径r 之比可取为 8~2/=r R (2-8) 在设计骨架内径r 与衔铁半径c r 应尽量取得相近，即c r r ≈，这样可简化计算工作量。 由c l =69.27mm ，求得为mm c 46.3r =，R 为10.38mm （取3/=r R ）。 5. 激磁电压频率的选定 电源电压的频率会影响到灵敏度铁损和耦合电容以及线圈阻抗的损耗等。其结果都将影响输出电压的大小，所以对电源频率的选择也是一个非常重要的参数，由于上述原因，电源频率需要根据频率特性来选取。 在忽略传感器的涡流损失，铁损失和耦合电容等影响，其等效电路如图2-3所示。 课程设计说明书 传感器课程设计 Course-Design of Sensor ——差动变压器式位移传感器 学院名称：机械工程学院 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 指导教师职称：教授 2012年 01月 目录 第一章绪论 (1) 1.1 概述 (1) 1.2 设计任务 (1) 第二章方案论证及选择 (3) 2.1 方案论证 (3) 2.2 原理简述 (4) 第三章差动变压器 (5) 3.1 传感器结构 (5) 3.2 工作原理 (5) 第四章单元电路的分析 (6) 4.1 差动放大电路 (6) 4.2 移相电路 (9) 4.3 相敏检波电路 (10) 4.4 低通滤波电路 (11) 第五章电路测试及波形 (14) 5.1 各电路波形 (14) 5.2 位移测量数据拟合 (17) 第六章心得体会 (18) 第七章参考文献 (19) 第八章参考文献 (19) 第一章绪论 1.1 概述 当今时代是信息时代，在工业和科技领域信息主要是通过测量获得，在现代生产中，物质和能量在信息流指挥和控制下运动。测控技术正成为现代生产生活中乃至高科技领域中一项必不可少的基础技术。 测控系统主要是传感器，测量放大电路和执行机构三个部分组成，而在测控系统中测量变换电路是最灵活的部分。它的选取往往改变了整个系统性能的优劣。 所以，学习并领悟测控技术就显得十分重要了，《测试技术》是我们测控技术与仪器专业的一门专业技能课，能够运用基本测控电路知识解决日常生活中的方方面面问题也应该是本专业学生的基本素质，也鉴于这些要求，做一些测控方面的课程设计就会让我们加深对传感器技术的理解和运用，也正是因为对一些实际问题的研究，才能使我们成为真正意义上的测控技术性人才，下面就以本次才课程设计题目——差动变压器式位移传感器——做比较详细的分析。 1.2 设计任务 设计要求：掌握差动变压器式位移传感器的结构，工作原理。分析各部分电路的作用及工作原理，特别是相敏检波电路的作用，观察分析各部分的波形，给出测试结果。 第二章方案论证及选择 2.1 方案论证 差动传感器输出的是0~40mvVp-p的正弦信号,第一是比较微弱的，第二不 差动变面积式电容传感器的静态及动态特性 【实验目的】 了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性 【实验仪器】 电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、JK-19型直流恒压电源、JK-20型频率振荡器、九孔实验板接口平台、万用表、示波器 【实验原理】 由C = S0/d得，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类，本仪器中差动变面积式。 传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，称为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为C l，下层定片与动片形成的电容定为C2，当将C l和C2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。 【实验步骤】 旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，万用表置于2 V档。 1．将电容式动片固定在振动盘上，调整好动片与静片的位置，不能相互接触。2．按图22-1接线。把电容的增益拧至合适位置，万用表20 V档。调节测微头，使输出为零，并读出其刻度值。 3．转动测微头，每次0.3 mm，记下此时测微头的读数及万用表的读数，直至电容动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止。 退回测微头至初始位置，并开始以相反方向旋动，同上法，记下)mm (X 及)mV (U 值。 4．计算系统灵敏度S 。X /U S ??=（式中U ?为电压变化，X ?为相应的两端位移变化），并作出X ~U 关系曲线。 5．卸下测微头，断开万用表，接通激振器，用示波器观察输出波形。改变激振频率，测量3种波形的电压、频率和周期。 差动变压器式位移传感器1 差动变压器式位移传感器 原理简述 由RC振荡器提供激磁电压及通过移相器后给相敏检波电路的参考电压信号，传感器 工作后输出0-40mVp-p的微弱正弦信号。考虑到抑制共模信号，因此用差动放大电路进行 放大，再将放大后的调幅信号用相加式相敏检波电路进行解调以实现对相位的鉴别以判别 位移的方向，最后用低通滤波器实现对解调的直流信号的放大及滤除高频信号，输出接显 示器。用示波器接输入输出端以观察信号波形。（其中Wd , Wa为电桥所构成的零点残余 电压补偿电路，实际实验时已将其忽略。另外，根据实验电路产生直流信号影响有用直流 信号，可考虑在相敏检波电路与低通滤波器之间连接一个适当电容，以滤去干扰直流信号）。 第三章差动变压器 3.1 传感器结构 3.2 工作原理 差动变压器主要是由一个线框和一个铁芯组成,在线框上绕有一组初级线圈作为输入 线圈(或称一次线圈),在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈(或称二次线圈),并在 线框中央圆柱孔中放入铁芯,当初级线圈加以适当频率的电压激励时,根据变压器作用原理,在两个次级线圈中就会产生感应电势,当铁芯向右或向左移动时,在两个次级线圈内所感应 的电势一个增加一个减少。如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压u等于两个次级 线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压 u为0， 当铁芯移动时， 传感器的输出电压u就随铁芯位移x成线性的增加。如果以适当的方法测量u，就可 以得到与x成比例的线性读数。这就是差动变压器式传感器的工作原理。 第四章单元电路的分析 4.1 差动放大电路 差动放大器是一种零点漂移十分微小的直流放大器，它常作为直流放大器的前置级， 用以放大微小的直流信号或缓慢变化的交流信号。 上图是一种差动放大器电路，R1=R2=R3=R4=51K，R5=6.6K，R6=2K，R1=510K,R2=10K，通频带0~10kHz，增益1~100倍，可接成同相，反相，差动结构。 燕山大学 传感器设计说明书 课题名称：差动变面积式电容位移传感器班级： 指导老师： 学生： 摘要 设计差动变面积式电容位移传感器，要求规定的设计参数。1、测量围（mm）：0~±1mm；2、线性度（%Fs）：0.5；3、分辨率（μm）：0.01；4、灵敏度（PF/mm）：2.3。通过理论设计、结构设计、理论分析等过程设计传感器结构和测量电路，画出结构示意图和测量电路图，并进行参数计算。利用参数和结构来选择合理的方法消除或减少寄生电容的干扰影响。结合传感器实验平台，确定传感器的静态灵敏度和线性围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。 目录 一电容传感器工作特性 二设计要求： 三设计原理： 四消除和减少寄生电容的影响五差动放大电路 六相敏检波器系统工作及原理七实验设计 八心得体会 九参考文献 一电容传感器工作特性 电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。相对与其他传感器来说，电容式传感器的温度稳定性好，其结构简单，易于制造，易于保证高的精度，能在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强；它的静电引力小，动态响应好，可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等；它能够实现非接触测量，在被测件不能受力，或高速运动，或表面不连接，或表面不允许划伤等不允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务；当采用非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以减少工件表面粗糙度等对测量的影响。因其所需的输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、很小的加速度、位移等，由于在空气等介质中损耗小，采用差动结构并连接成桥式电路时产生的零点残余电压极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度，分辨力高，能敏感0.01μm至更小的位移。本课题采用差动变面积式电容位移传感器，线性的反映电容和位移的变化关系。 二设计要求： 设计差动变面积式电容位移传感器，要求规定的设计参数。 1、测量围（mm）：0~±1mm； 电感式传感器测量电路设计 学院：信自学院 姓名：xxxxx 学号：13 专业：自动化 班级：103班 2012年12月26日 目录 摘要 (3) 1.绪论 (5) 1．1 引言 (5) 1．2 传感器介绍 (5) 1．3 研究的基本内容，拟解决的主要问题 (7) 2．整体的方框图与工作原理 (8) 3．各个单元电路设计 (8) 3．1 8051单片机简介 (8) 3．2 电感式位移传感器的基本原理 (13) 3．3 电感测头的结构 (15) 3．4 正弦波电路的设计 (16) 3．5 零点残余电压的调整 (18) 3．6 交流放大电路 (20) 3．7 相敏检波电路 (22) 3．8 A/D转换及显示电路 (28) 4．软件部分的设计 (30) 4．1本系统设计的程序流程图 (30) 4．2单片机8051的C语言程序清单 (31) 5、参考文献 (33) 摘要 随着现代制造业的规模逐渐扩大，自动化程度愈来愈高。要保证产品质量，对产品 的检测和质量管理都提出了更高的要求。我们为此要设计一种精度的检测位移的仪器。电感测微仪是一种分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪,应用于微位移测量已有比较长的历史.国外生产的电感测微仪产品比较成熟,精度高、性能稳定,但价格昂贵.国内生产的电感测微仪存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范围小等问题,一直与国外的传感器水平保持一定的差距.在超精密加工技术迅猛发展的今天,这种测量精度越来越显得不适应加工技术发展的需求.该文针对这些问题,对电感传感器测量电路进行了一定的设计和改进.对电感测微仪的正弦波生成电路、交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路等进行了分析和相应的设计。 关键词: 正弦波发生器，相敏检波，零点残余电压。 电感式位移传感器实例 电感式位移传感器实例 差动电容传感器在测量电路中的应用 【摘要】 差动电容传感器越来越广泛地应用于诸如压力、加速度、直线位移、转角等物理量的测量，其电路结构依测量要求不同而不同．但其基本原理都是和用比斜信号处理法以传感器电容容量的变化来反映被测量的变化．电容变化可以是线性或非线性的。利用比例信号处理法可以实现棱测量的精确．线性检测。所谓比例信号处理法即用传感器中两电容之差与两电容之和的比值来线性地反映棱测量。因此需要专门的信号处理电路将传感器电容变化转换为易于检测的电量，已经出率的技术方法有开关一电容(s／c)法，模数转换(A／D)法、电容、频转换法、电容相位转换法等，其中适用于CMOS集成电路的SIC 法由于时钟馈线的影响精度较低，C／F法可以达到很高的精度，但由于需要微 处理器来进行比斜运锋而难以满足时实时、快速的要求。近年来，人们在提高精度和速度方面不断探索，提出了各种提高精度和速度的方法 【关键字】 差动电容传感器信号处理电路 【正文】 差动电容传感器可由图1来表示。电容Cx、C’x分别具有固定电极1、2和可动电极1’、2其介质均为弹性物质。设静态时两电容相等，其和为Co。当中间被测物体产生横向直线位移或受到横向加速度而产生位移时，电容Cx、Cx发生变 化 。若中间物体位移导致电容器极板问的距离相对变化为X， 则Cx= (1+ x)Co／2 C’x一(1一x)Co／2因此：X=(cx—c’x)／(Cx+C’x)采用某种信号处理电路将差动电容比倒信号(Cx—C’x)／(Cx+c’x)转换匀可直接测量或显示的电量，使可实现对中间物体的直线位移或加速度等物理量的测量。 工作原理 1.数字输出型信号处理电路 以往的差动电容传感器信号转换技术都是基于测量电容中存储的电荷来进行的。近年来高速运放的出现使得利用高频探测信号来实现差动电容比例信号的高精度，高速度检测成为可能图2即是一种借助高频探测信号vs的信号处理电路。 2电路结构及原理 该电路由电容／电压转换、检渡和A／D转换三部分组成。当开关s1合、s2断时 A ω(Cx+C’x)Rt'Vs，而sl断、s2台时．A点电压V 为：V02 = 点电压v 为V01=- ωCxRfvs其中Vs、to分别为加于传感器的探测信号的电压有效值及角频率V01 - V02经检波后分别进入A／D转换器的参考输入及信号输入端经A／D转换后输出 数字量b=V02/V01=CX／(Cx+ C’x) 而x= (Cx+ C’x)／(Cx+ C’X)= 2Cx／(Cx+ C’X)一1 因此，被测量x可由能够直接显示的数字量b表示： 3电路性能分析 该信号处理电路中产生误差的主要原因是寄生电容、CMOS开关S1、S2的导通电阻、运放的非理想性(输入电阻ri 及增益A 并非无穷大) 及检波电路的非线性。寄生电容的影响可以通过台理布置元件及引线来减小；开关s1、s2应选择导通电阻小的器件；而运放的输入电阻ri及增益A 的影响可以通过适当选择其它电路参数 ωRsCx<< l(其中Rs是探测信号源的内阻)时ri、A 的影响便可忽略不来消除． 计。检波电路的影响包括滤波电路的时间常数和非线性两个方面，产生非线性的原因是运放失调电压Vos造成了检波二极管导通角改变，适当提高探测信号的幅度可降低由此产生的非线性误差；而滤波电路的时间常数．τ应满足τ≥ 1／ 1．推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式电容传感器相比较。 2．根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？ 3．有一个直径为2m、高5m的铁桶，往桶内连续注水，当注水数量达到桶容量的80%时就应当停止，试分析用应变片式或电容式传感器系统来解决该问题的途径和方法。 4．总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题。5．磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数？ 6．霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？ 7．简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能的应用场合。 8．发电机是利用导线在永久磁铁的磁场中作旋转运动而发电的。无论负载怎样消耗这个电能，永久磁铁不会变弱，这是什么道理？ 9．把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称＿＿＿＿＿＿＿＿效应，这个电动势称为＿＿＿＿＿＿＿电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成＿＿＿＿＿＿＿＿效应。10．块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，利用该原理制作的传感器称＿＿＿＿＿＿＿传感器；这种传感器只能测量＿＿＿＿＿＿＿＿物体。 11．解释下列磁敏传感器： ①磁敏电阻与磁敏晶体管有哪些不同？ ②磁敏晶体管与普通晶体管的不同之处是什么？ ③磁敏电阻与霍尔元件属同一类磁电转换元件，在本质上有什么不同？ 12．霍尔元件灵敏度的物理意义是表示＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 13．把一导体（或半导体）两端通以控制电流I，在垂直方向施加磁场B，在另外两侧会产生一个与控制电流和磁场成比例的电动势，这种现象称＿＿＿＿＿＿＿效应，这个电动势称为霍尔电势。外加磁场使半导体（导体）的电阻值随磁场变化的现象成＿＿＿＿＿＿＿效应。 电子信息工程系实验报告 课程名称： 传感与检测 实验项目名称：实验6 差动变面积式电容传感器 实验时间： 2012-6-11 班级：电信092 姓名：XXX 学号：910706201 实 验 目 的: 了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。 实 验 环 境: 电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V 表、激振器、示波器 实 验 原 理: 电容式传感器有多种形式，本仪器中差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cxl ，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cxl 和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。 有关旋钮的初始位置： 差动放大器增益旋钮置于中间，F/V 表置于2V 档。 实 验 步 骤 及 结 果： (1)根据图接线。 (2)将F/V 表打到20V ，调节测微头，使输出为零。 (3)转动测微头，每次0.1mm ，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上(或下)静片覆盖面积最大为止。位移初始值为8.0mm ； X(mm) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 V(V) 8.71 8.48 8.15 7.99 7.61 7.29 6.96 6.75 6.53 6.27 5.96 退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下X(mm)及V(mv)值。位移初始值为9.0mm ； (4)计算系统灵敏度S=△V/△X ，并作出Ⅴ-X 曲线。 输出的灵敏度为：S=(S1+…+S10)/10=2.75V/mm; 运用matlab 软件，绘制V -X 曲线如下所示： X(mm) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 V(V) 5.94 6.11 6.40 6.65 6.87 7.05 7.28 7.51 7.77 8.06 8.25 成 绩： 指导教师（签名）： 电子信息工程学系实验报告 课程名称：传感器与检测技术 实验项目名称：实验（四） 差动变面积式电容传感器实验 时间：班级：测控 姓名： 学号： 实 验 目 的: 了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。 实 验 环 境: 示波器和CSY -910型传感器实验仪：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V 表 实 验 内 容 及 过 程: 1、实验原理 电容式传感器有多种形式，本仪器中差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cxl ，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cxl 和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。 2、旋钮初始位置 差动放大器增益旋钮置于中间，F/V 表置于2V 档。 3、实验步骤 (1)根据图接线。 (2)将F/V 表打到20V ，调节测微头，使输出为零。 (3)转动测微头，每次0.1mm ，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上(或下)静片覆盖面积最大为止。 (4)退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下X(mm)及V(mv)值。 (5)计算系统灵敏度S=△V/△X，并作出Ⅴ-X曲线。 实验结果及分析： 每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数： 退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下X(mm)及V(mv)值： 计算系统灵敏度S=△V/△X，并作出Ⅴ-X曲线。 先计算第一次测得的数据的灵敏度，将上面第一次测得的数据分为５组，用逐差法计算灵敏度如下：实验心得：差动变压器及应用
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