燕山大学
课程设计说明书题目：电容传感器测量位移
学院（系）：电气工程学院
年级专业： 12级仪表3班
学号： 120103020153
学生姓名：邱长春
指导教师：童凯
教师职称：教授
燕山大学课程设计（论文）任务书
说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
摘要
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。电容式传感器就是把被测的机械量，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。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。本文设计介绍了一种电容式传感器测量位移的设计结构及其工作原理。
关键字：电容式传感器，平行电极，位移
目录
摘要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 引言。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 传感器转换电路仿真调试及原理分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1．同相比例放大电路
2.二阶低通滤波器电路
电容式传感器测量电路设计及分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 误差分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 学习心得。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8参考文献资料。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9
引言
传感器是科学仪器、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术，是先进国家优先发展的重要基础性技术。传感器与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱。
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
传感器转换电路仿真调试及原理分析
1．同相比例放大电路
同相输入放大电路如图1所示，信
号电压通过电阻RS加到运放的同相输
入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反
馈到运放的反相输入端，构成电压串联
负反馈放大电路。
根据虚短、虚断的概念有
vN=vP=vS，i1=if
于是求得
所以该电路实现同相比例运算。
2.二阶低通滤波器电路
二阶压控电压源低通滤波器的传递函数如下:
令
则有
上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中ωn为特征角频率，而Q则称为等效品质因数。
二阶有源低通滤波幅频特性如下图
电容式传感器测量电路设计及分析
电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。
由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对平行极板电容器，电容量为
根据我们所需要测量的物理量为位移，我们选择面积变化型电容传感器。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以测我们所需的位移。我们选择的电容传感器极板形状为平板，
变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。它是有二个外极板和一个内极板组成的。设极板的位移为x，板宽为a，极板间距离为d，当动极板移动后,极板相对有效面积发生变化，
对应的电容值为：
此时根据实验所需我们设计了二极管双T 型交流电桥测量电路，如下图：
原理说明：
当UE 为正半周时，二极管D1导通、D2截止，于是电容C1充电;在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL 放电， 流过RL 的电流为I1。U1在负半周内，D2导通、D1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL 放电，流过RL 的电流为I2。根据上面所给的条件，则电流I1 =I2，且方向相反，在一个周期内流过RL
的平均电流为零。
若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成一阶电路：
当供电电压是幅值为±UE 、周期为T 、占空比为50%的方波，可直接得到流过电容C2的电流iC2：
221()exp )()L L C E
L L L L R R R t i U R R R R R R R R R R C ??++-=??
++++??
正半周电流iC2的平均值IC2可以写成：
2
2
222
002111T L
C C C E L
R R I i dt i dt U C T T T R R ∞+=≈=+??
同理，可得负半周时流过电容C1的平均电流IC1为
11
21L
C E L
R R I U C T R R +=
+
故在负载RL 上产生的电压为：
012122
(2)()()()
L L L E
C C L L RR RR R R U U I I C C R R T R R +=
-=-++
当RL 已知时，
2
(2)()L L L RR R R R R ++为常数，设为K ，则：
012()
E U K f U C C ≈???-
式中，f ――电源电压的频率。
表明，传感器的输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T 形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源参数确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数。
最后在输出端接一个电容式整流同相放大器，起到放大示数整理波形的的作用。
Uo
的波形和示数
整理后Uob
的波形和示数
通过万用表直流档可得出：
最后根据仿真结果可以得知当有位移时（即C1减小，C2增大相同的比例），万用表示数Uob随之近似于线性的变大。
误差分析
一、电路板上元件的阻值与实际的电阻值有一点的误差得到的结果与计算结果有不同。
二、读数时有偏差连接示波器时的元件的具体频率值与电阻值都直接取了整数并不是原来的那个值。因此在具体周期的计算值上也有不同。
三、集成运算电路的失调、漂移所引入的运算误差。
四、差分放大器由于电路存在共模电压,必须选用共模抑制比较高的集成运放,才能保证一定的运算精度。但是即使采用了共模抑制比很高的集成运放,在小信号放大的时候,输出还是有很大的误差。
五、二极管整流电路引起误差主要是由于处理整流二极管导通角时理论值与实际测量值的不同引起。
六、由于室内温度的变化引起电阻发生变化引起误差。
学习心得
通过以上设计分析，应变片的转换电路设计基本完成。
通过近一个星期的传感器课程设计，对传感器有了更深的知识了解，，使我更加了解电路的基本知识，基本原理以及基本电路。通过设计差动电容传感器转换电路，我充分的了解了反相比例放大器、同相比例放大器、二极管整流电路、差分放大器、二阶低通滤波器的工作原理。为以后的长远发展打下了坚实的基础。也学会了一些软件的使用，对传感器的设计应用有了初步的掌握。仿真软件的练习、转换电路仿真调试分析，同时，我们进行了电路板的焊接，提高了自己的动手能力，促进了自己的研究兴趣。每一步每一天都有进步。
参考文献
张玉龙等.传感器电路设计手册.中国计量出版社.1989年
李科杰等.新编传感器技术手册.国防工业出版社.2002年
吴桂秀.传感器应用制作入门.浙江科学技术出版社.2004年
杨宝清，孙宝元. 传感器及其应用手册. 2004年
单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社. 1999年殷淑英. 传感器应用技术.冶金工业出版社.2008年
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