傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及差動電容傳感器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

1、傳感器課程設(shè)計傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及差動電容傳感器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計燕山大學課 程 設(shè) 計 報告題目： 傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及差動電容傳感器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 10級儀表2班 學 號： 學生姓名： 指導(dǎo)教師： 童凱 教師職稱： 副教授 燕山大學課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）： 電氣工程學院 基層教學單位： 自動化儀表系 學 號100103020112學生姓名馬文彬?qū)I(yè)（班級）儀表2班設(shè)計題目傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真及差動電容傳感器轉(zhuǎn)換電路設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)1測量范圍0-5mm；2輸出電壓0-10v；3極板面積4cm2；4靈敏度：5精度：6遲滯誤差：設(shè)計要求1學習電路仿真軟件cir

2、cuit design suite10.0;2設(shè)計與仿真調(diào)試各種傳感器轉(zhuǎn)換電路；3設(shè)計差動電容位移傳感器交流電橋轉(zhuǎn)換電路；4電容傳感器轉(zhuǎn)換電路調(diào)試；5撰寫報告、完成答辯。工作量第17-18周（完成資料查閱、方案設(shè)計、電路仿真、硬件調(diào)試、測試及誤差分析等內(nèi)容）工作計劃設(shè)計時間共10天。第1-2天 資料查閱(圖書館及網(wǎng)絡(luò))；理論工作原理學習。第3-4天 設(shè)計方案制定。第5-6天 電路仿真，各器件選型。第7-8 傳感器轉(zhuǎn)換電路調(diào)試。第9-10天 撰寫報告，完成答辯。參考資料張玉龍等.傳感器電路設(shè)計手冊.中國計量出版社.1989年李科杰等.新編傳感器技術(shù)手冊.國防工業(yè)出版社.2002年吳桂秀.傳感器應(yīng)

3、用制作入門.浙江科學技術(shù)出版社.2004年楊寶清，孫寶元. 傳感器及其應(yīng)用手冊. 2004年單成祥. 傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)用. 國防工業(yè)出版社. 1999年殷淑英. 傳感器應(yīng)用技術(shù).冶金工業(yè)出版社.2008年指導(dǎo)教師簽字童凱基層教學單位主任簽字謝平說明：此表一式四份，學生、指導(dǎo)教師、基層教學單位、系部各一份。燕山大學課程設(shè)計評審意見表指導(dǎo)教師評語：1、認真、很好的完成課設(shè)各階段的任務(wù)?！?】2、能夠較好的完成課設(shè)各階段的任務(wù)。【 】3、能夠按時完成課設(shè)各階段的任務(wù)?！?】4、不按時完成課設(shè)各階段的任務(wù)?！?】成績： 指導(dǎo)教師：王志斌 趙彥濤 2012年 12月28日答辯小組評語：1、全

4、面、得體的回答老師的提問?！?】2、能夠簡要回答老師的提問。【 】3、能夠回答部分老師的提問?！?】4、不能回答老師的提問?！?】成績： 組長： 童凱 2012年 12月28日課程設(shè)計總成績：答辯小組成員簽字： 童凱 吳飛 王志斌 趙彥濤 陳穎 朱丹丹2012年 12月28日目 錄第1章 摘要1第2章 引言2 第3章 基本原理3第4章 參數(shù)設(shè)計及運算5 4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計5 4.2 電容設(shè)計與計算8 4.3 其他參數(shù)的計算 10 4.4 測量電路的設(shè)計 12第5章 誤差分析 14第6章 結(jié)論 16心得體會 17參考文獻 18第一章 摘要差動式電容傳感器靈敏度高、非線性誤差小同時還能減小靜電引力給

5、測量帶來的影響并能有效的改善高溫等環(huán)境影響造成的誤差因而在許多測量場合中被廣泛應(yīng)用。把被測的機械量如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。本設(shè)計采用變壓器電橋測試電路將電容變化轉(zhuǎn)化為電壓變化電容式傳感器的電容值十分微小必須借助信號調(diào)理電路將微小電容的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸出。因此，本設(shè)計中采用了運算放大器、二極管整流電路以及二階低通濾波器等電路設(shè)計并對這些單元電路進行了原理分析，通過參數(shù)的確定實現(xiàn)位移向電壓的轉(zhuǎn)變。在本次設(shè)計中還涉及了測量過程中的誤差分析從而保證了測量的精度和準確度。第二章 引言在科學研究

6、和工業(yè)生產(chǎn)中,電容式傳感器已經(jīng)成為非常重要的一種測試裝置,在位移、壓力、物質(zhì)成分、物位、加速度等參量測試中都有著廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸測量、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。電容式傳感器的輸出信號與被測量的變化有著直接的關(guān)系,而且,通常都非常微弱。因此,如何將微小電容變化測量出來,傳感器后續(xù)的檢測電路就顯得非常重要。目前,已有不少學者提出了一些解決方法,如,諧振法、振蕩法、開關(guān)電容法、ac電橋法、運算放大器檢測法等。本文將介紹一種基于運算放大器、二極管整流、二階低通濾波技術(shù)的差動電容式小位移傳感器的檢測電路。第三章 基本原理一、 反相比例放大器反相輸入放大電路如圖

7、所示，信號電壓通過電阻r1加至運放的反相輸入端，輸出電壓vo通過反饋電阻rf反饋到運放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負反饋放大電路。r 為平衡電阻應(yīng)滿足r = r1/rf。利用虛短和虛斷的概念進行分析vi=0，vn=0，ii=0，is=if 即 仿真電路圖仿真結(jié)果二、 同相比例放大電路同相輸入放大電路如圖1所示，信號電壓通過電阻rs加到運放的同相輸入端，輸出電壓vo通過電阻r1和rf反饋到運放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念有vn=vp=vs，i1=if于是求得所以該電路實現(xiàn)同相比例運算。仿真電路圖仿真結(jié)果三、 差動放大電路差分式減 法電路圖1所 示電路可以實 現(xiàn)兩個

8、輸入電 壓vs1、vs2相減,在理想情況下，電路存在虛短和虛斷， 所以有vi=0，ii=0，由此得下列方程式：及 由于vn=vp，可以求出 若取 ，則上式簡化為 即輸出電壓vo與兩輸入電壓之差（vs2vs2）成比例，其實質(zhì)是用差分式放大電路實現(xiàn)減法功能。仿真電路圖仿真結(jié)果四、二極管整流電路五、二階低通濾波原理：為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)rc低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。（1） 通帶增益當f = 0時，各電容器可視為開路，通帶內(nèi)的增益為（2）二階低通有源濾波器傳遞函數(shù)根據(jù)圖可以寫出聯(lián)立求解以上三式，可得濾波器的傳遞函數(shù)

9、 仿真電路圖仿真結(jié)果輸出與輸入的關(guān)系原理：直流電橋的平衡條件直流電橋電路如圖所示,輸出電壓為六、電橋仿真電路圖第四章電路設(shè)計設(shè)計思路本設(shè)計采用變壓器電橋測試電路將電容變化轉(zhuǎn)化為電壓變化電容式傳感器的電容值十分微小必須借助信號調(diào)理電路將微小電容的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸出。因此，本設(shè)計中采用了反向運算放大器、差分放大器、二極管整流以及二階低通濾波器等電路對差動電容輸入信號進行變換放大處理，通過參數(shù)的確定實現(xiàn)位移向電壓的轉(zhuǎn)變。電路圖將cx2變?yōu)?4pf產(chǎn)生信號，正負兩端均經(jīng)過兩次反向比例放大器放大91*91倍，然后經(jīng)過二極管整流電路，所以有以下信號

10、輸出，a通道為經(jīng)過整流以后的信號，b通道為函數(shù)發(fā)生器發(fā)出信號正負兩端信號輸入差動放大器，然后經(jīng)過二階低通濾波器，輸出了如下信號，a通道為輸出信號，b通道為函數(shù)發(fā)生器輸入電路信號第五章誤差分析一、電路板上元件的阻值與實際的電阻值有一點的誤差得到的結(jié)果與計算結(jié)果有不同。二、讀數(shù)時有偏差連接示波器時的元件的具體頻率值與電阻值都直接取了整數(shù)并不是原來的那個值。因此在具體周期的計算值上也有不同。三、集成運算電路的失調(diào)、漂移所引入的運算誤差。四、差分放大器由于電路存在共模電壓,必須選用共模抑制比較高的集成運放,才能保證一定的運算精度。但是即使采用了共模抑制比很高的集成運放,在小信號放大的時候,輸出還是有很

11、大的誤差。五、二極管整流電路引起誤差主要是由于處理整流二極管導(dǎo)通角時理論值與實際測量值的不同引起。六、由于室內(nèi)溫度的變化引起電阻發(fā)生變化引起誤差。第六章 結(jié)論經(jīng)過反向運算放大器、差分放大器、二極管整流以及二階低通濾波器等電路對差動電容輸入信號進行變換放大處理將微小電容的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化。直流電橋電路與交流電橋電路把輸出的物理量變成電路電壓的變化量。比例放大電路為電路提供電壓增益；整流電路主要是將交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號。差動放大電路為差模提供有效增益，同時抑制共模干擾。二階低通濾波器消弱了高頻區(qū)的信號，更好地得到低頻區(qū)的信號。通過設(shè)計電路與各種參數(shù)，經(jīng)過電路仿真和電路

12、板的焊接，然后經(jīng)過電路板的調(diào)試，得出結(jié)論。完成了此次課程設(shè)計。 心得體會通過兩個星期的傳感器課程設(shè)計，使我更加了解電路的基本知識，基本原理以及基本電路。為以后的長遠發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。通過設(shè)計差動電容傳感器轉(zhuǎn)換電路，我充分的了解了反相比例放大器、同相比例放大器、二極管整流電路、差分放大器、二階低通濾波器的工作原理，還學會了電路仿真軟件ni multisim豐富了知識，同時，我們進行了電路板的焊接，提高了自己的動手能力，促進了自己的研究興趣。同時，這兩個星期里我們一個班呆在一個教室里，還有老師的陪伴，自己有了疑問不僅可以找老師也可以找大家問或一起商量，這樣不僅促進了知識的學習而且促進了同學之間的友誼。這