電容傳感器測量位移電路仿真設(shè)計(jì)及原理

1、提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有 燕 山 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書摘要傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。電容式傳感器就是把被測的機(jī)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。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。本文設(shè)計(jì)介紹了一種電容式傳感器測量位移的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其工作原理。 關(guān)鍵字： 電容式傳感器，平行電極，位移目 錄摘要。1引言。3傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試及原理分析。31同相比例放大電路2.二階低通濾波器電路電容式傳感器測量電路設(shè)計(jì)及分析。5誤差分析。8學(xué)習(xí)心得。8參考文獻(xiàn)資料。9引言

2、傳感器是科學(xué)儀器、自動(dòng)控制系統(tǒng)中信息獲取的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)，是先進(jìn)國家優(yōu)先發(fā)展的重要基礎(chǔ)性技術(shù)。傳感器與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。 傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非電物理量的測量與控制技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、自動(dòng)檢測與計(jì)量等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正在逐步引入人們的日常生活中。70年代末以來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。典型?/p>

3、電容式傳感器由上下電極、絕緣體和襯底構(gòu)成。當(dāng)薄膜受壓力作用時(shí)，薄膜會(huì)發(fā)生一定的變形，因此，上下電極之間的距離發(fā)生一定的變化，從而使電容發(fā)生變化。但電容式壓力傳感器的電容與上下電極之間的距離的關(guān)系是非線性關(guān)系，因此，要用具有補(bǔ)償功能的測量電路對輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。傳感器轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試及原理分析1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(yùn)放的同相輸入端，輸出電壓vo通過電阻r1和rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)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(shí)現(xiàn)同相比例運(yùn)算。2.二階低通濾波器電路二階壓控電壓源低通濾波器

4、的傳遞函數(shù)如下:令則有上式為二階低通濾波器傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。其中n為特征角頻率，而q則稱為等效品質(zhì)因數(shù)。二階有源低通濾波幅頻特性如下圖電容式傳感器測量電路設(shè)計(jì)及分析電容式傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件為一體的電容量可變的電容器和測量電路組成，其變量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系原理如圖所示。由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，對平行極板電容器，電容量為根據(jù)我們所需要測量的物理量為位移，我們選擇面積變化型電容傳感器。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容cad關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇、a、d中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以測我們所需的位移。我們選擇的電容傳感器極板形狀

5、為平板，變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動(dòng)式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。它是有二個(gè)外極板和一個(gè)內(nèi)極板組成的。設(shè)極板的位移為x，板寬為a，極板間距離為d，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)后,極板相對有效面積發(fā)生變化，對應(yīng)的電容值為：所以靈敏度：此時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需我們設(shè)計(jì)了二極管雙t型交流電橋測量電路，如下圖：原理說明：當(dāng)ue為正半周時(shí)，二極管d1導(dǎo)通、d2截止，于是電容c1充電;在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容c1上的電荷通過電阻r1，負(fù)載電阻rl放電， 流過rl的電流為i1。u1在負(fù)半周內(nèi)，d2導(dǎo)通、d1截止，則電容c2充電，在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，c2通過電阻r2，負(fù)載電阻rl放電，

6、流過rl的電流為i2。根據(jù)上面所給的條件，則電流i1 =i2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過rl的平均電流為零。若將二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路可等效成一階電路：當(dāng)供電電壓是幅值為ue、周期為t、占空比為50%的方波，可直接得到流過電容c2的電流ic2： 正半周電流ic2的平均值ic2可以寫成：同理，可得負(fù)半周時(shí)流過電容c1的平均電流ic1為故在負(fù)載rl上產(chǎn)生的電壓為：當(dāng)rl已知時(shí)，為常數(shù)，設(shè)為k，則：式中，f電源電壓的頻率。表明，傳感器的輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與t形網(wǎng)絡(luò)中的電容c1和c2的差值有關(guān)。當(dāng)電源參數(shù)確定后，輸出電壓只是電容c1和c2的函數(shù)。最后在輸出端接

7、一個(gè)電容式整流同相放大器，起到放大示數(shù)整理波形的的作用。uo的波形和示數(shù)整理后uob的波形和示數(shù)通過萬用表直流檔可得出：最后根據(jù)仿真結(jié)果可以得知當(dāng)有位移時(shí)（即c1減小，c2增大相同的比例），萬用表示數(shù)uob隨之近似于線性的變大。誤差分析一、電路板上元件的阻值與實(shí)際的電阻值有一點(diǎn)的誤差得到的結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有不同。二、讀數(shù)時(shí)有偏差連接示波器時(shí)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(gè)值。因此在具體周期的計(jì)算值上也有不同。三、集成運(yùn)算電路的失調(diào)、漂移所引入的運(yùn)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(yùn)放,才能保證一定的運(yùn)算精度。但是即使采用了共模抑制比很

8、高的集成運(yùn)放,在小信號放大的時(shí)候,輸出還是有很大的誤差。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(shí)理論值與實(shí)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。學(xué)習(xí)心得通過以上設(shè)計(jì)分析，應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)基本完成。通過近一個(gè)星期的傳感器課程設(shè)計(jì)，對傳感器有了更深的知識了解，使我更加了解電路的基本知識，基本原理以及基本電路。通過設(shè)計(jì)差動(dòng)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。為以后的長遠(yuǎn)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。也學(xué)會(huì)了一些軟件的使用，對傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用有了初步的掌握。仿真軟件的練習(xí)、轉(zhuǎn)

9、換電路仿真調(diào)試分析，同時(shí)，我們進(jìn)行了電路板的焊接，提高了自己的動(dòng)手能力，促進(jìn)了自己的研究興趣。每一步每一天都有進(jìn)步。參考文獻(xiàn)張玉龍等.傳感器電路設(shè)計(jì)手冊.中國計(jì)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)用制作入門.浙江科學(xué)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(jì)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年燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)評審意見表指導(dǎo)教師評語：1、認(rèn)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(shí)完成課設(shè)各階段的任務(wù)?！?】4、不按時(shí)完成課設(shè)各階段的任務(wù)?！?】成績： 指導(dǎo)教師：童凱 吳飛 2012年 12月28日答辯小組評語：1、全面、得體