電容式加速度傳感器(共23頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上湖 南 科 技 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱： 傳感器/測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)學(xué) 生 姓 名： 李振文 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)及班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 2班 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 余以道 楊書儀 2012 年 6 月 專心-專注-專業(yè)摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化智能化一步一步走入人們生活中的每一個(gè)角落。然而自動(dòng)化與智能化的實(shí)現(xiàn)無(wú)疑離不開傳感器。在傳感器這個(gè)大家族之中，電容式傳感器又占有舉足輕重的位置。電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線性，

2、寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。本課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一電容式測(cè)量加速度的傳感器。利用滑塊的慣性和彈簧的彈力帶動(dòng)介子的移動(dòng)。介子的移動(dòng)是電容的電容量發(fā)生變化，這個(gè)電容的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。通過運(yùn)算放大器的作用，把信號(hào)放大。再通過A/D轉(zhuǎn)換把信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，最后顯示在屏幕上。關(guān)鍵詞：電容式加速度傳感器；信號(hào)放大；變介電常數(shù)。ABSTRACTAlong with the development of science and technology, automation intelligent step by step into people of every c

3、orner. However the realization of automation and intelligent undoubtedly cannot leave the sensor. In this big family of sensor, capacitive sensor and pivotal position. Capacitor sensor is the advantage of simple structure, low price and high sensitivity, zero hysteresis, vacuum compatible, overload

4、ability, good dynamic response characteristics of high temperature, radiation, and strong vibration bad conditions such as the adaptability, etc. Defect is output is nonlinear, parasitic capacitance and distributed capacitance measuring accuracy and sensitivity to the great influence, and connection

5、 circuit is more complex, etc. The course is designed to design a capacitive measurement of acceleration sensor. Use the slider inertia and spring bounce drive both move. Both the electric capacity is moving capacitance change, the capacitance change into current changes. Through the role of the ope

6、rational amplifier, the amplification. Then through the A/D conversion to signal into A digital quantity, finally shown on the screen.Keywords: capacitive accelerometer; Amplification; The dielectric constant change.目錄摘要.i目錄.ii第一章 緒論11.1 課題研究的相關(guān)背景11.2 選題的目的和意義.11.3 課題研究的內(nèi)容.21.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.5 傳感器目前存在的

7、主要問題2第二章 電容式加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型32.1傳感器器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖32.2傳感器的等效原理圖32.3差動(dòng)電容計(jì)算及特性分析4第三章 測(cè)控電路設(shè)計(jì)63.1本系統(tǒng)測(cè)控電路組成框圖63.2穩(wěn)幅文式振蕩器63.3反向放大電路73.4相敏檢波器83.5低通有源濾波電路9第四章 電容式加速度傳感器的技術(shù)要求114.1殼體固定要求114.2滑塊與殼體接觸面的光滑度要求114.3測(cè)控電路的要求114.4單片機(jī)程序要求11第五章 傳感器適用范圍125.1影響適用范圍的因素125.2加設(shè)重力加速度傳感器12第六章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理136.1數(shù)據(jù)關(guān)系136.2與書本上面的測(cè)震動(dòng)加速傳感器對(duì)比13第七章 總結(jié)與展望

8、14 7.1總結(jié)147.2展望14參考文獻(xiàn)15附錄116附錄217附錄318第一章 緒論1.1 課題研究的相關(guān)背景傳感器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在各種自動(dòng)控制過程中，它能迅速客觀地反映出實(shí)際情況。電容式傳感器有很多，但原理相同。平行板電容器的電容C跟介電常數(shù)成正比跟正對(duì)面積成反比根極板間的距離d成反比有：C=S/4kd式中k為靜電力常量。通過改變介質(zhì)，極板距離，極板正對(duì)面積，這三個(gè)參數(shù)之一使傳感器的電容發(fā)生變化，再通過電荷放大器，將電容變化或電量變化轉(zhuǎn)換成容易用電路處理電壓或電流量。這就是電容式傳感器的特點(diǎn)，通過上面的原理可以做成很多傳感器，比如測(cè)長(zhǎng)度的，測(cè)角度，測(cè)空氣粉塵，空氣濕度，還有聲

9、音，振動(dòng)等，精度很高，比如測(cè)振動(dòng)的精度可以達(dá)到零點(diǎn)零幾個(gè)微米。但是測(cè)長(zhǎng)度的線性度不好，需要通過電路矯正，還有容易受到電路中的寄生電容的影響，所以電路設(shè)計(jì)的時(shí)候要很注意。把被測(cè)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（見圖）。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為A/，式中為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩電極互相覆蓋的有效面積,為兩電極之間的距離。、A、 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小

10、的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化(見電容式壓力傳感器)。面積變化型一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移。介質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。70年代末以來(lái),隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x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?。測(cè)量物體相對(duì)于大地或慣性空間的運(yùn)動(dòng)，通常采用慣性式傳感器。慣性式傳感器種類很多，用途廣泛。加速度傳感器的類型有壓阻式、壓電式和電容式等多種，其中電容式加速度傳感器具有測(cè)量精度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小等優(yōu)點(diǎn)。而電容式加速度傳感

11、器實(shí)際上是變介電常數(shù)電容式位移傳感器配接“聹忌一c”系統(tǒng)構(gòu)成的。其測(cè)量原理是利用慣性質(zhì)量塊在外加速度的作用下與被檢測(cè)電極間的空隙發(fā)生改變從而引起等效電容的變化來(lái)測(cè)定加速度的。本課程設(shè)計(jì)利用慣性原理，加速的變化使滑塊動(dòng)作，從而帶動(dòng)介子移動(dòng)。使電容的介電常數(shù)發(fā)生改變，通過測(cè)量這個(gè)介電常數(shù)的變化進(jìn)一步反映加速的大小以及方向。1.2 選題的目的和意義通過這次課程設(shè)計(jì),掌握傳感器的工作原理,了解簡(jiǎn)單多功能傳感器組成原理，初步掌握多功能傳感器的調(diào)整及測(cè)試方法，提高動(dòng)手能力和排除故障的能力。同時(shí)通過本課題設(shè)計(jì)與裝配、調(diào)試，提高自己的動(dòng)手能力，鞏固已學(xué)的理論知識(shí)，建立傳感器的理論和實(shí)踐的結(jié)合，了解多功能傳感器

12、各單元電路之間的關(guān)系及相互影響，從而能正確設(shè)計(jì)、計(jì)算各個(gè)單元電路。1.3 課題研究的內(nèi)容本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)傳感器，在實(shí)際生活中廣泛應(yīng)用。電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。利用滑塊的移動(dòng)量轉(zhuǎn)變?yōu)榻殡姵?shù)的變化，從而導(dǎo)致電容值的變化。通過測(cè)控電路的放大、整流和A/D轉(zhuǎn)換，然后利用單片機(jī)把加速的顯示出來(lái)。1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳感器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際場(chǎng)合，但目前所使用的傳感器有的電路較復(fù)雜不便于制作,可靠性低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難；有的則用一些專用的集成塊 ,而專用集成塊的購(gòu)買又很困難。為適應(yīng)更多的實(shí)際生活需要而設(shè)計(jì)一個(gè)多功能傳感器

13、，這種傳感器具有電路簡(jiǎn)單，元件普通 ,易于購(gòu)買等優(yōu)點(diǎn),很好地解決了制作者制作困難和難于購(gòu)買的問題。在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始了普遍的應(yīng)用。1.5 傳感器目前存在的主要問題隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學(xué)科學(xué)、學(xué)技術(shù)、學(xué)知識(shí)的手段多種多樣，傳感器作為一種工具，已廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際生活中。但傳感器器的使用頻率校高，且有的要么制作復(fù)雜，要么可靠性低，減少興致。作為一個(gè)單位若專購(gòu)一個(gè)傳感器雖然在經(jīng)濟(jì)上可以承受，但每年使用的次數(shù)極多，往往因長(zhǎng)期使用使（電子器件的）傳感器損壞，再購(gòu)置的麻煩和及時(shí)性就會(huì)影響活動(dòng)的開展。但目前多數(shù)傳感器存在2個(gè)不足之處：輸出具有非線性；寄生電容的影響往往降低傳感器的靈敏度。第二章

14、 電容式加速度傳感器的數(shù)學(xué)模型2.1傳感器器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖電容式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖：由圖可見，它實(shí)際上是變介子電容式位移傳感器，配接“m-kC”系統(tǒng)構(gòu)成的。質(zhì)量塊由1根彈簧放置于殼體內(nèi)，質(zhì)量塊的左邊連接介子，通過質(zhì)量塊的動(dòng)作帶動(dòng)介子的運(yùn)動(dòng)，從而改變了介電常數(shù)。 （圖2.1 原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖） 2.2傳感器的等效原理圖電容式加速度傳感器的等效原理圖如圖2.2所示。圖2.2中，右側(cè)標(biāo)尺表示與大地保持相對(duì)靜止的運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)，稱為靜基準(zhǔn)，x表示被測(cè)物體及傳感器底座相對(duì)于該參考點(diǎn)的位移，稱為絕對(duì)位移，y表示質(zhì)量塊m相對(duì)于傳感器底座的位移，稱為相對(duì)位移。x和y之間關(guān)系可用典型二階比常系數(shù)微分方程描述： (圖

15、2.2 等效原理圖) （1）式中：為自振角頻率，；為阻尼系數(shù)，；C為空氣阻尼。而位移x，速度v，加速度a三者之間關(guān)系為：代入式（1）得：（2）經(jīng)拉式變換得“m-k-c”系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： （3）令，可求得質(zhì)量塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移振幅與被測(cè)物體絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的加速度振幅的關(guān)系為： （4）式（4）具有低通濾波特性。由此可見，當(dāng)時(shí)： （5）傳感器殼體的位移y與電容的關(guān)系為：C=k*y （6）式中k為一個(gè)傳遞系數(shù)。2.3差動(dòng)電容計(jì)算及特性分析對(duì)于氣隙型電容傳感器，其電容值為，電容式加速的電容變化量為： （7）令：，則：令：，則：則，特性曲線為圖3.2. （圖2.3 特性曲線）第三章 測(cè)控電路設(shè)計(jì)3.1本系統(tǒng)測(cè)控電

16、路組成框圖顯 示單 片 機(jī)A/D 轉(zhuǎn) 換 器低 通 濾 波 器相 敏 檢 波 器反 向 放 大 器變 壓 器 式 電 橋文氏電橋正弦振蕩器 3.2穩(wěn)幅文式振蕩器穩(wěn)幅文氏振蕩器是用運(yùn)算放大器做放大元件的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器，電路如圖3.1所示。由于放大器的輸出電阻很低，反饋信號(hào)加入運(yùn)算放大的同相輸入端，所以輸入電阻很高，這樣同相放大器的增益KF=1+RsRf，僅與外部電阻Rs和Rf有關(guān)，而與放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān)，因此增益的精度和穩(wěn)定性都很高。在實(shí)際應(yīng)用中，常選RC串一并聯(lián)電路的，所以在這個(gè)頻率上，RC移相網(wǎng)絡(luò)相位移為零，而R82Rf，滿足振蕩條件。選R=240，C=330pF，則得到振蕩

17、頻率為：為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅的目的，在運(yùn)算放大器輸入端加上由、和場(chǎng)效應(yīng)管VT組成可控負(fù)反饋電路。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管要求工作在線性電阻區(qū)，只有在較小時(shí)，它的差不多隨柵源電壓線性變化，宛如一只良好的壓控線性電阻，阻值可調(diào)范圍約為4001O0，當(dāng)幅值較大時(shí)，應(yīng)自動(dòng)增大以加強(qiáng)負(fù)反饋，這個(gè)作用由整流二極D1，濾波電路R7 、R6、C5及場(chǎng)效應(yīng)管VT組成。當(dāng)幅值較小時(shí)，C5上的電壓逐漸減小，導(dǎo)致下降，所以電路將自動(dòng)在VT的其一柵源電壓下穩(wěn)定下來(lái)，輸出幅值穩(wěn)定的正弦波電壓。調(diào)節(jié)R6可改變輸出電壓的大小，一般將輸出電壓調(diào)節(jié)在35 V之間。（圖3.1 穩(wěn)幅文式振蕩電路）3.3反向放大電路在很多場(chǎng)合下，我們得到的信號(hào)是非常微弱

18、的，需要放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。這里采用反向放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。電路如下圖3.2.（圖3.2 方向放大電路）反向放大電路的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是輸入阻抗比較低，但一般能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的要求，這里就采用這種放大電路。由于電阻的最大值不宜超過10，在提高反向放大器的輸入阻抗與提高電路的增益之間存在一定矛盾。圖3.2所示電路可以避免這種矛盾，它既有較高的輸入阻抗，又可取得足夠的增益。如選取R22遠(yuǎn)大于R24和R25，則放大器的增益可用下式近似計(jì)算：3.4相敏檢波器當(dāng)被測(cè)量經(jīng)過變壓器式電橋變換后，將微弱的交流信號(hào)送人儀用放大器進(jìn)行放大，為了恢復(fù)原來(lái)被測(cè)量緩慢信號(hào)，采用相敏檢波器將交流的幅度變化轉(zhuǎn)

19、換成正比于傳感器電容AC的直流電平。其相敏檢波電路如圖3.3所示。其工作過程如下：（圖3.3 相敏檢波電路）當(dāng)輸人電壓為正半周期時(shí)，經(jīng)耦合電容C4的電壓(即)輸人給A2反相，D2截至，D3導(dǎo)通， 的電壓放大倍數(shù)為，即V1=-V2；調(diào)整，經(jīng)R10和W2送來(lái)A5的輸人信號(hào)為V1 ，另一路經(jīng)A5的輸人信號(hào)為V2，則輸出信號(hào)為：當(dāng)輸人電壓V1為負(fù)半周期時(shí)，經(jīng)A2反相，D2導(dǎo)通，D3截至，A2輸出為零，經(jīng)R10，W2送來(lái)A3的輸人信號(hào)為V1，另一路經(jīng)A3輸人信號(hào)為V1，則輸出信號(hào)V0為：由此可見，交流放大信號(hào)Vi經(jīng)過相敏檢波后，即能反映信號(hào)電壓的幅值又能反映出信號(hào)電壓的極性。3.5低通有源濾波電路低通有

20、源濾波器如圖3.4所示。它是由無(wú)源RC濾波器和有源RC濾波器組成。無(wú)源RC濾波器的頻率特性為：（圖3.4 低通有源濾波電路）式中：或有源RC濾波器的頻率特性曲線為：式中：或則低通有源濾波器的頻率特性為：故其幅頻特性為：一般規(guī)定增益下降到時(shí)的頻率為截止頻率，通過上式求得為f<=115Hz，則帶寬為O115Hz。這樣把它檢波后的脈動(dòng)直流信號(hào)中高次諧波濾掉，采用有源低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是較小的電容得到良好的濾波效果。濾波器輸出后的電壓信號(hào)經(jīng)過AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換片與單片機(jī)8031連接，這樣就可以完成對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)和控制。第四章 電容式加速度傳感器的技術(shù)要求4.1殼體固定要求整個(gè)殼體需要固定在被測(cè)運(yùn)

21、動(dòng)物體之上，殼體與被測(cè)物體不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)不能有相對(duì)加速度。如果殼體與被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體沒有結(jié)合在一起，之間有相對(duì)加速度，則測(cè)量出來(lái)的加速的包含了一個(gè)與這個(gè)相對(duì)加速度方向相反的加速度。導(dǎo)致測(cè)量誤差。措施：把殼體用螺釘栓在被測(cè)體之上。4.2滑塊與殼體接觸面的光滑度要求本加速度傳感器主要是利用滑塊的慣性運(yùn)動(dòng)，經(jīng)傳感顯示出加速度。如果滑塊與殼體接觸面光滑度不夠，則必然不能很好的顯示出加速度的變化情況。對(duì)于這里，有兩點(diǎn)減少誤差的措施： 接觸面盡量光滑。從硬件上加大加工減少摩擦，使這個(gè)影響變小。 在結(jié)果采取補(bǔ)償。盡管，我們可以把接觸面做的很光滑，但是摩擦還是不可避免的。這是硬件方面無(wú)法避免的，但是我們可

22、以通過計(jì)算，把摩擦影響在測(cè)量結(jié)果加上一個(gè)數(shù)值，使其影響變小。因?yàn)樽畲箪o摩擦的存在，被測(cè)物體僅僅只有加速度是不能使滑塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)，也就不能使傳感器感受到加速度。這樣，只有當(dāng)加速度上升到某個(gè)值的時(shí)候，傳感器才開始有顯示，這時(shí)候?qū)嶒?yàn)結(jié)果的補(bǔ)償也才可以實(shí)施。我這里記這個(gè)加速度為a0，所以加大光滑度，減少摩擦盡量使這個(gè)a0值變小。這一點(diǎn)也是傳感器致命缺點(diǎn)，由于摩擦的存在使傳感器的測(cè)量范圍減少。措施：加強(qiáng)表面加工；加注潤(rùn)滑油。4.3測(cè)控電路的要求測(cè)控電路的作用是將信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換成所需要的信號(hào)類型。這里，測(cè)控電路需要把信號(hào)放大，且把模擬信號(hào)要轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，利用單片機(jī)顯示在頻幕上。然而信號(hào)是極其微弱的，電路

23、之中一個(gè)器件發(fā)出的噪聲也許都比這個(gè)信號(hào)要大。所以測(cè)控電路一定要濾除干擾信號(hào)。所以，在測(cè)控電路之上一定要加屏蔽措施。措施：外加屏蔽罩；內(nèi)加屏蔽電路。4.4單片機(jī)程序要求經(jīng)過傳感器的信號(hào)最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)顯示出來(lái)。但是系統(tǒng)存在很多影響因素，這些因素導(dǎo)致測(cè)量誤差。對(duì)于誤差的處理我們一般選用誤差補(bǔ)償，把損失的量值加在結(jié)果之中。所以在單片機(jī)的顯示程序之中，應(yīng)該由測(cè)量數(shù)據(jù)和這個(gè)誤差值所組成。第五章 傳感器適用范圍5.1影響適用范圍的因素除了之上所述，摩擦影響測(cè)量精度。還有就是地球萬(wàn)有引力作用，如果被測(cè)物體不是在水平線上運(yùn)動(dòng)，而是斜向上，或者斜向下。這時(shí)候，即使物體是停放在一個(gè)斜坡之上，按傳感器的設(shè)

24、計(jì)，這里也會(huì)有加速度顯示。顯然這是不行的。所以單單這個(gè)傳感器，只能適用于水平直線運(yùn)動(dòng)。顯然，這個(gè)適用范圍很窄。5.2加設(shè)重力加速度傳感器由于重力的影響，使傳感器只能適用于水平的運(yùn)動(dòng)中。但是如果加設(shè)一個(gè)重力在運(yùn)動(dòng)線上分量測(cè)量的傳感器，然后用之前傳感器的測(cè)量減去這個(gè)分量的線性疊加。這樣就可以避開重力的影響。特殊情況，如果運(yùn)動(dòng)在垂直線上，測(cè)量結(jié)果減去一個(gè)重力加速度就可以了。第六章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理6.1數(shù)據(jù)關(guān)系電容C與三個(gè)量的關(guān)系是，顯然，電容C與是線性關(guān)系。但是，與運(yùn)動(dòng)變化量y并不是線性關(guān)系，所以，信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中還是比較困難。非線性變量線性化依然是一個(gè)研究重點(diǎn)。6.2與書本上面的測(cè)震動(dòng)加速傳感器對(duì)比起初，拿到課題想到的測(cè)加速度，第一映像就是測(cè)水平運(yùn)動(dòng)的加速度，所以自然而然想到上面的方案。但是仔細(xì)閱讀書本上面測(cè)震動(dòng)加速度傳感器，還是發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)存在很多不足。電容式測(cè)震動(dòng)加速度傳感器原理圖如圖6.1所示。質(zhì)量塊4由兩根彈簧片3支撐置于殼體2內(nèi)，彈簧較硬使系統(tǒng)的固有頻率較高。當(dāng)測(cè)量垂直方向上的直線加速度時(shí)，傳感