1、脈寬調制型差動電容位移傳感器的研究第一章 緒論1.1 本課題研究背景在工、農業生產、科學研究、國防建設及國民經濟的各部門中，經常需要檢測各種參 數和物理量，獲取被測對象的定量信息，以便進行監視和控制，使設備或系統處于最佳運 行狀態，并保證生產的安全、經濟及高質量。在現代科學研究和新產品設計中，為了掌握 事物的規律性，人們必須測試許多的參數，用以檢驗是否符合預期要求和事物的客觀規律性1在被測物理量中，非電量占了絕大部分，例如壓力、溫度、濕度、流量、液位、力、 應變、位移、速度、加速度、振幅等等。非電量測量可以通過各種對應的敏感元件，將被 測物理量轉換成與之有對應關系的電壓、電流等，而后再通過對電

2、壓、電流的測量，得到 被測物理量的大小。傳感技術的發展為這類測量提供了新的方法和途徑 2 。電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的一種裝置，實質上就是一個具有 可變參數的電容器。和其它傳感器相比，電容式傳感器具有溫度穩定性好、結構簡單、適應性強、動態響 應好、分辨力高、工作可靠、易實現非接觸測量、具有平均效應等優點，并能在高溫、輻 射和強烈振動等惡劣條件下工作 3 。電容傳感器廣泛的應用于多種檢測系統中，用以測量 諸如液位、壓力、位移、加速度等物理量。電容式傳感器也存在不足之處，比如輸出阻抗高、負載能力差、寄生電容影響大等。 上述不足直接導致其測量電路復雜的缺點。但隨著材料、工藝、電子

3、技術，特別是集成電 路的高速發展，電容式傳感器的優點得到發揚，而它所存在的易受干擾和分布電容影響等 缺點不斷得以克服。電容式傳感器成為一種大有發展前途的傳感器 4 。1.2 本課題研究目的和意義由于電容傳感器的廣泛采用，不可避免地要涉及到電容的測量問題。對感應信號的提 取與非電量參數測量的成功與否有著密切關系。電容式傳感器將被測非電量信號變換成電容變化，但電容值不能直接用現有的顯示儀 器來顯示，更難于傳輸，必須借助測量電路將電容變化量轉換為電壓、電流或頻率信號， 以便顯示、記錄和傳輸。對于電容 / 電壓轉換電路，如何將電容變化量準確地轉換為電壓 信號至關重要，它直接關系到后續測量的準確性 5

4、。在測量儀器設計過程中，往往由于體積或測量環境的制約，電容傳感器電容的變化量 一般都較小，往往僅有幾個或幾十個皮法的大小， 屬于微弱電容的檢測 6,7 。在某些場合 , 例 如電容層析成像系統中， 傳感電容的變化量小至 fF 級8 。在現階段測量微小電容主要有以 下幾方面的困難9,10:雜散電容往往要比被測電容高的多，且雜散電容會隨溫度、結構、 位置、外電場分布及器件的選取等諸多因素而變化，被測量常被淹沒在干擾信號中；測 量電路一般要使用一定量的電子開關，但電子開關的電荷注入效應對測量系統的影響難以消除；由于測量對象的快速多變性，需要較高的數據采集速度，但采集速度和降低噪 聲的矛盾難以解決 ,

5、 濾波器的存在成為提高數據采集速度的瓶頸等問題。因此，要考慮引 線電容、電路設計的寄生電容以及環境變化的影響等因素，使電容傳感器調理電路設計相 當復雜，并且由于分立元件過多，也將影響電容的測量精度 11,12。從工業角度而言，微小電容測量電路須滿足動態圍大、測量靈敏度高、低噪聲、抗雜 散等要求。綜上所述，研究電容式傳感器及其測量電路對測量儀器的發展有著重要意義。1.3 研究現狀經過幾十年的發展，電容式傳感器技術已經相當成熟。根據市場及工程應用的需要， 國外多家公司已經開發出多種型號電容式位移傳感器測微系統，國多處于理論分析階段， 而國外公司技術相對較為成熟。MTI （美國）公司開發的AS-50

6、00電容式位移傳感器如圖1-1所示。該傳感器具有超 高精度、高穩定性、高頻率和分辨率。其分辨率能達到0.0025卩m頻率響應可達到20kHz, 線性度為土 0.1 %,高溫型探頭抗溫可達500C,在16C-35 C的情況下，溫漂低于土 0.1 %。德國米銥公司開發的capaNCDT62精密電容式位移傳感器如圖1-2所示。該傳感器最 高分辨率為2納米，線性度達0.2 %，傳感器工作溫度圍-50 C - + 200E。該傳感器在測量 導電材料時，不須另外進行線性化工作，導電性能的差異不會影響靈敏度和線性，給現場 測量帶來極大方便。capaNCDT620也可以測量絕緣材料的位移，但是線性化須專門進行

7、，材料相同的介電常數是精確測量的條件圖 1.1 AS-5000 電容式位移傳感器實物圖圖 1.2 capaNCDT620 精密電容式位移傳感器實物圖Fig.1.1 Physical Map of CapacitiveFig.1.2 Physical Map of Precision CapacitiveDisplacement Sensor AS-5000Displacement Sensor capaNCDT620電容式位移傳感器在設計應用中往往存在以下的問題：1、電容檢測電路非線性，不便于后續傳感器特性曲線擬合；2、受寄生電容和分布電容的影響，電容式位移傳感器測量圍小。以德國米銥公司的 電

8、容式位移傳感器為例，直徑為 40mm勺電容式位移傳感器檢測圍僅為 5mm3、檢測電路較復雜，生產成本高等。70年代末出現了與微型測量儀表封裝在一起勺電容式傳感器，該新型傳感器分布電容大為減小，很大程度上彌補了電容式傳感器勺不足。那么設計一種線性度好勺電容檢測電 路，研究克服寄生電容、增大電容式位移傳感器檢測圍勺方法，對今后電容式傳感器勺開 發，擴大電容方式傳感器勺使用圍具有重要意義，這也是目前電容傳感器需要突破勺瓶頸 所在。1.4 本課題勺任務和容本課題要求設計一臺微小位移測量儀，利用平行板差動電容，配以脈寬調制信號出路 電路實現對微位移勺測量。具體要求如下：（1）建立實驗系統，搭建整個測試系

9、統； （ 2）研制平行板電容器； （3） 研制出傳感器信號處理電路； （4）研制出微位移測試儀。本課題容：第一章 介紹了本課題研究問題勺背景，課題研究勺目勺和意義及國外相關領域研究 現狀。第二章 論述了電容式傳感器勺相關理論及平行板電容器勺制作。第三章 介紹了電容式傳感器常用的電容/電壓（C/V）轉換電路。第四章 設計了基于脈沖調寬原理勺微小位移測量電路，并進行電路元器件選擇，參 數計算。第五章 對實驗結果進行測量處理，并詳細分析測量誤差，解析誤差來源，并提出減 小誤差的措施。第六章 總結了全文的工作并提出了下一步的工作建議。第二章、電容式傳感器的相關理論及其設計本設計要現對微小位移的測量，這

10、里是通過電容式傳感器將非電量的位移轉換成電容 這個電量的變化，然后通過測量電路得到電壓，通過推導電壓與位移的關系進而實現位移 的測量。電容式傳感器作為位移與電壓的橋梁有著很重要的地位，在此將對其進行詳細介 紹，然后提出本設計中的傳感器設計方案。2.1電容式傳感器工作原理Fig.2.1 Parallel Plate Capacitors電容式傳感器的基本原理可以用圖2.1所示平板電容器來說明13,14。當忽略邊緣效應時，其電容C為A r 0 ACd d（ 2-1）式中A極板相對覆蓋面積；d極板間距離；相對介電常數；& 0真空介電常數， 0 =8.85 X 10 12 F/m； r電容極板間介質的

11、介電常數。由式（2-1 ）可知，當A、d和中的某一項或某幾項變化時，就改變了電容 C。C的變化，在交流工作時，就改變了容抗，從而使輸出電壓或電流得以變化。d和A的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映彈力、壓力等變化；的變化，則2.2電容式傳感器的類型實際應用中，常常僅改變 A、d和&之中的一個參數來使 C發生變化，所以電容式 傳感器可分為三種基本類型：改變極板距離 d的變極距(變間隙)型；改變面積 A的變面積型；改變介電常數&的變介電常數型。變極距型一般用來測量微小的線位移；變面積型一般用于測量角位移或較大的線位 移；變介電常數型常用于固體或液體的物位測量以及各種介質的濕度、密度的

12、測定2.2.1變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器是利用改變極板間距來改變電容量的一種可變傳感器。由式(2.1 )可知，當電容式傳感器極板間距d 那么電容相對變化量為18因被測量變化而變化 d時，電容變化量為C,C0do11衛do(2-2)如果滿足條件寸1,將上式按級數展開成23(2-3)d d ddCo1 -do d dd式中Co極距為do時的初始電容量。該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實際中常常作成差動式來改善其非線 性。2.2.2變面積型電容傳感器通過改變極板的有效面積可制成變面積型電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板 形結構對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結構受

13、極板徑向變化的影響小, 成為實際中最常采用的結構，這里介紹一種同心圓筒形線位移電容式傳感器，其結構示意 圖如圖2.2所示，圖2.2圓筒形線性位移電容傳感器Fig.2.2 Cylindrical Linear Capacitive Displacement Sensor它是由套在一起并具有一定高度的兩個通信金屬圓筒的、外表面所形成的電容傳感 器，其中一個圓筒固定嗎，另外一個同心圓筒沿著軸線方向移動，構成相互覆蓋面積可變 化的電容傳感器。(2-4)在忽略邊緣效應時電容為Co =k.DInd式中丨外圓筒與圓柱覆蓋部分的長度;D、d外圓筒徑和圓柱外徑。當兩圓筒相對移動 x時，電容變化量 C為C= Cx

14、Co = klnd(2-5)可見這類傳感器具有良好的線性。2.2.3變介電常數型電容傳感器與上述的圓筒形線性位移傳感器結構相似，如圖2.3，只是它是通過改變兩筒間的介質（介電常數）來改變其電容量，利用該原理可制成變介電常數型電容傳感器圖2.3變介電常數型電容傳感器Fig.2.3 Variable Dielectric Constant Type Capacitance Sensor假設被測介質的介電常數為 1，液面高度為h，傳感器總高度為H，外筒徑為則此時傳感器電容值為C 2 ihC忑dc21Co2 H h _hd-hCo KhlnDd(2-6)(2-7)2 H容易看出，電容變化與介質的介電常

15、數呈線性關系。其中CoIn d因此變介電常數型電容傳感器大多用來測量電介質的厚度、液位，還可根據極間介質 的介電常數隨溫度、濕度的改變而改變來測量介質材料的溫度、濕度等。2.3電容式傳感器等效電路Rs為實際上，我們對各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進行的。這在可 忽略傳感器附加損耗的一般情況下也是可行的。但若考慮電容傳感器在高溫、高濕及高頻 激勵的條件下工作時，那就不能忽視其附加損耗和電效應影響，這時電容傳感器可以等效 為圖2.4所示18 o圖中C為傳感器電容，Rp為低頻損耗并聯電阻，它包含極板間漏電和介質損耗;高濕、高溫、高頻激勵工作時的串聯損耗電阻，它包含導線、極板間和金屬支

16、座等損耗電和*RSLCCPL1 RP圖2.4電容傳感器的等效電路Fig.2.4 The Equivalent Circuit of The Capacitive Sensor阻；L為電容器及引線電感；Cp為寄生電容，克服其影響，是提高電容傳感器實用性能的L的存在，每當改變關鍵之處。可見，在實際應用中，特別是在高頻激勵時，尤需要考慮 激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統重新進行標定。另外，由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常幾十兆赫。當工作頻率等于或接近 諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該選擇低于諧振頻率， 否則電容傳感器不能正常工作。2.4電容式傳感器的靈敏度

17、和非線性電容式傳感器的靈敏度即為輸出電容的變化量和輸入非電量（位移，壓力等）的比值,用S表示。變極距式電容傳感器只有在滿足極板間初始距離 d0遠大于輸入量 d時（即d/ do d的條件，但d0增大會引起6減小，因而靈敏度S降低。且當d0較小時，寄生電容的作用要增大，因而影響檢測精度。若用一組差動電容式傳感器，當滿足 d0 d時，靈敏度為(2-9)C = 2C0dd0可見靈敏度比單極式提高一倍。因此一般采用差動式結構，減小非線性誤差，同時由 于結構上的對稱性，還能有效地補償溫度變化所造成的誤差2.5 電容式傳感器特點及發展方向2.5.1 電容式傳感器的優點1、溫度穩定性好 電容式傳感器的電容值一

18、般與電極材料無關，有利于選擇溫度系數低的材料，又因本 身發熱極小，影響穩定性甚微。2、結構簡單，適應性強 電容式傳感器結構簡單，易于制造，易于保證高的精度；可以做得非常小巧，以實現 某些特殊的測量。電容式傳感器一般用金屬作電極、以無機材料作絕緣支承，因此能工作 在高低溫、強輻射及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力、高 沖擊、過載等；能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。3、動態響應好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動部 分可以做得很小、很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆 赫的頻率下工作，特別適合動態

19、測量。又由于其介質損耗小，可以用較高頻率供電，因此 系統工作頻率高。它還可以用于測量高速變化的參數。4、可以實現非接觸測量、具有平均效應 當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測 量的影響。電容式傳感器除上述優點之外，還因帶電極極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能 量極小，所以特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題。2.5.2 不足之處1、輸出阻抗高，負載能力差 電容式傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器 的輸出阻抗很高。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響而產生不穩定現象，嚴重時 甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使

20、用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕 緣部分的電阻值極高，否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能，為此還要特別 注意周圍環境的影響。2、寄生電容影響大 電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以 及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的 靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機變化的， 將使傳感器的工作不穩定， 影響測量精度， 其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜的選擇、 安裝、接法都要有要求。3、輸出特性非線性 變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結構來改善，但不可能完 全消除

21、。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則 邊緣效應所產生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。上述不足直接導致電容式傳感器測量電路復雜的缺點。 但隨著材料、 工藝、電子技術， 特別是集成電路的高速發展，電容式傳感器的優點得到發揚而缺點不斷得到克服，成為一 種大有發展前途的傳感器。相關電路將在第三章詳細介紹。2.5.3 發展方向電容式傳感器的發展方向就是一方面加強電容式傳感器變換電路的集成度，為了克服 寄生電容的影響，盡量將電路和傳感器連接得緊密些或者干脆做成一體或采用無線接入代 替傳統的電纜傳輸；為克服電容器掛料問題，采用射頻導納加以改進。另一

22、方面充分開發 測量系統的智能化，所謂智能化就是將傳感器獲取信息的功能與專用的微處理器的信息分 析、處理等功能緊密結合在一起。由于微處理器具有計算與邏輯判斷功能，故可以方便地 對傳感器所采集的數據進行存儲記憶、比較分析、并能夠對實際物位的電容量變化進行實 時監控、自動校正；從而有效地解決了以往受寄生電容影響、導致電容式傳感器準確性、 穩定性、及可靠性差的技術難題，提高系統的準確性、可靠性 19 。2.6 本論文傳感器設計方案2.6.1 提出方案本論文要求對微小位移進行測量，歸根結底就是測量微小電容，結合以上電容式傳感 器的相關知識及設計要求，最終確定采用如圖所示的變極距式的差動電容傳感器結構，c

23、S圖2.5差動式電容傳感器結構Fig.2.5 Differential Capacitive Sensor Structure三塊相同金屬板上下平行放置，其中最上面的板和最下面的板固定住，中間的板為可 移動極板。可動極板用于反應機械位移，因為動極板的移動會引起傳感器的電容變化。另 外，此結構配以合適的測量電路將可以判斷動極板運動的方向，這是一般的傳感器結構所 無法達到的。總之，差動式結構的引入減小了系統的非線性誤差，提高了靈敏度。2.6.2方案具體實施及注意點電容式傳感器初始電容小，很容易受外界環境影響，因此在搭建平行板時應特別小心。 首先，將三塊金屬板通過焊錫分別與三根細金屬絲（即為電容傳感

24、器的引出線）焊接在一 起，金屬絲表面漆有絕緣漆以防接觸短路；然后用三個有機玻璃條（或是絕緣夾子）分別 粘在金屬板上；固定上極板與下極板的有機玻璃條（絕緣夾子）的另一端固定于螺旋測微 儀的尺架上，固定動極板的絕緣材料的另一端固定于螺旋測微儀的測微螺桿上，轉動測微 儀的旋鈕，既改變電容有能直接讀出位移量，這樣電容傳感器就完成了。在搭建過程應注意一下幾點：（1）金屬板表面一定要保持光潔，切勿彎曲；（2）未與金屬板焊接的導線應相互絕緣，不可掉漆短路；（3）三塊板應盡量保證平行，不可傾斜；（4）板間距應合理。小的間距可提高傳感器的靈敏度，但間距過小，容易引起電容 器擊穿或短路。（5）接入電路時，應保證傳

25、感器沒有雜亂導線或電信號干擾。另外，三個極板初始板間距可以由公式（2-1 ）計算得到，一般變極距電容式傳感器 的起始電容在20-100pF之間，在這里選取30pF，式中A即板間正對面積，在這里即為圓 板的面積。通過測量圓板半徑為 2.5cm，帶入公式計算得到，板間初始距離 d=0.59mm2.7 本章小結本章主要介紹了電容式傳感器的相關理論知識，分析了電容式傳感器測量的原理及測 量的誤差來源，然后通過比較確定了本設計中采用的傳感器結構，提出最優化設計方案， 即差動式電容位移傳感器，同時對具體設計方法進行闡述說明，對設計時的注意點提出要 求。第二章 常用的電容式傳感器測量電路電容位移傳感器將被測

26、的非電量轉換成電容的變化量后，必須采用測量電路將其轉換成可以應用的電量，如電壓、電流及頻率信號等，這種測量轉換和處理的方法有很多。目 前廣泛使用的測量方法有：調頻法、交流電橋法、雙T型充放電法等等如，下面一一介紹3.1調頻電路Lot AC圖3.1調頻電路原理框圖Fig.3.1 Block Diagram of Frequency Modulation Circuit這種電路是把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分。當被測量使電容發生變化 時，就使振蕩頻率產生相應變化。由于振蕩器的頻率受電容式傳感器的電容調制，故稱為 調頻電路。圖3.1所示為調頻電路的原理框圖。圖中的調頻振蕩器的頻率由下式決定

27、：(3-1)f 一1 一2 LC式中L振蕩回路的電感；C振蕩回路的總電容。一般是由傳感器電容C0 C，振蕩回路的固有電容C1和傳感器電纜分布電容 Ci所 組成。當被測量沒有變化時，C =0，則C =C0 C1 Ci為一常數，所以振蕩器的頻率是- -個固定頻率fo.2 , L Ci Ci Co(3-2)當被測量改變時,C工0,振蕩頻率也有一個相應的改變量，此時振蕩頻率為2：LCiCiCoJ” f(3-3)振蕩器輸出的高頻電壓是一個受被測信號調制的調頻波，其頻率由上式決定。這類測量電路靈敏度高，可以測至 0.01卩m級位移變換量，且為頻率輸出，易于和數 字式儀表及計算機連接，可以發送、接收以實現遙

28、測遙控。另外抗干擾能力強，能獲得高 電平的直流信號。缺點是振蕩頻率受溫度和電纜電容的影響大；線路復雜，且不易做得很 穩定；輸出非線性較大，需誤差補償21。3.2交流電橋電路電容式傳感器的電橋測量電路形式很多，在工程實際應用中較為廣泛是變壓器電橋, 電路結構如圖3.2所示。1.crcccrccc1圖3.2變壓器電橋Fig.3.2 Transformer Bridge其原理是將電容傳感器接入交流電橋的一個臂或兩個相鄰臂，另兩臂可以是電阻或電 容或電感，也可以是變壓器的兩個次級線圈。測量時被測量變化導致傳感器電容變化引起 電橋失衡，電橋輸出電壓變化。這種電路對于變極距式傳感器，存在較大的非線性誤差，

29、 它只有在負載阻抗極大時輸出特性成線性。另外它不具備自動平衡措施，構成較復雜3.3雙T型充放電網絡ITl TJTD2WND1NW 6B D:sz 6圖3.3二極管雙T型電路Fig.3.3 Diode Circuit of Double T-type電路原理如圖3.3所示。供電電壓是幅值為e、周期為T、占空比為50%勺方波。電源正半周時，D1短路,D2開路，電容Cl被充電假設R1R2 R,通過推導可得到流過電容C2的平均電流:同理，可得負半周時電容IC1 T故在負載R-上產生的電壓為,1 R 2RlIC2UEC2T R RlC的平均電流Ic1為1 R 2RlUeC1R Rl(3-4)(3-5)R

30、Rl R 2Rl Ue2R RlTC1C2(3-6)可見，輸出電壓與電容差值成正比關系。該電路適用于各種電容式傳感器。它有如下應用特點和要求24 : （1）電源、傳感器電容、負載均可同時在一點接地；（2）當二極管工作于高電平下時，測量的非線性誤差很小；（3）電路的靈敏度與電源頻率有關，因此電源頻率需要穩定；（4）將D1、D2, R1、R2安裝在C1、C2附近能消除電纜寄生電容的影響；線路簡單；（5）輸出電壓較高；（6）電路的輸出阻抗僅與R1、R2及RL有關，而與電容C1、C2無關；（7）可進行動態測量。3.4運算放大器式電路圖3.4運算放大器式電路Fig.3.4 Operational Amp

31、lifier CircuitCx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號由運算放大器工作原理可知(3-7)(3-8)(3-9)1/ j CxCu0uu1/ j CCxCxS /uC u0S結論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性，假設放大器開環放大倍數A=Y,輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般 A和乙足夠大，所以這 種誤差很小。3.5脈沖調寬型電路由于本設計主要研究的就是該電路，在此章節不贅述，具體容將在下一章中詳細介紹, 在此簡要說明一下該電路的特點。差動脈沖調寬電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸 出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器就能得到對應被

32、測量變化的直 流信號。差動脈沖調寬電路采用直流電源，其電壓穩定度高，不存在穩頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調等；對元件無線性要求；經低通濾波器可輸出較大的電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高263.6 本章小結pF ，通過對電容位移傳感器的各種測量電路進行分析，發現電容位移傳感器性能的好壞關 鍵在于測量轉換電路的設計。而目前不管是哪一種類型的電容位移傳感器，其都存在著抗 干擾性差、漂移明顯的問題，而這兩個問題也成為制約電容傳感器發展的瓶頸。分析其原 因 27,28 ，一方面整個測量電路中，分立阻容元件非常多、集成度低，電路特性受到諸多參 數的影響，因此很難保證較高的穩定性；用到了大量的

33、放大器、模擬濾波器等產生零點漂 移的元器件，導致工作過程中漂移現象明顯。另一方面，傳統電容位移傳感器由于測量電 路龐大復雜，普遍采用與測頭分立式設計，被測模擬量從測頭輸出要經過電纜傳輸給測量 電路進行處理，模擬量在這一段傳輸過程中，又引入了電纜電容，該電容值高達上百 并與傳感器電容并聯，降低了傳感器靈敏度，電纜擺放位置和其形狀變化都將引起電纜電 容發生變化，使得傳感器工作不穩定。因此在電路搭建過程中應注意這些問題，盡可能的 體現出電路的優點。第四章采用脈沖調寬原理設計的微小位移測量儀4.1測量電路結構及工作原理圖4.1 差動脈沖調寬電路Fig.4.1 Differential PWM Circ

34、uit如圖4.1所示的差動脈沖調寬電路圖。第一差動電容Ci和第二差動電容C2為被測差動電容。第一比較器IC1的同相輸入端連接參考電壓Ur，第一比較器ICi的反相輸入端與 第一差動電容Ci的一端連接，電容的另一端接地，第一比較器ICi的輸出端與一個雙穩態觸發器FF的第一輸出端連接；第二比較器IC2的同相輸入端連接參考電壓Ur，反相輸入 端與第二差動電容C2的一端連接，電容另一端接地，第二比較器的輸出端與觸發器的第二 輸入端連接。雙穩態觸發器的輸出端各連接一個電阻R1、R2，同時在電阻兩端各并聯一個二極管D1、D2，電阻的另外一端連接差動電容的一端（非接地端）。最后從雙穩態觸發 器的兩個輸出端各引

35、出一根導線通過低通濾波器，即可得到輸出電壓u 029,30。電路結構如上所述，下面介紹該電路的工作原理。當接通電源后，假若觸發器 Q端為高電平（設為U1），Q端為低電平（0），這觸發器 通過電阻R對電容C1充電；當F點電位Uf升到與參考電壓Ur相等時，比較器IC1產生一 個脈沖使觸發器翻轉，從而使 Q端為低電平，Q端為高電平（U1 ）。此時，電容C1通過二 極管D1迅速放電至零，而觸發器Q端經R2向C2充電；當G點電位Ug與參考電壓Ur相等 時，比較器IC2輸出一個脈沖使觸發器翻轉，如此交替激勵，循環上述過程。該過程可簡 化為下面的流程：R1Q 1 C1充電當Uf URA1輸出高電平觸發器翻轉

36、 Q 0Q 1Q 1 C2充電當UG URA2輸出高電平觸發器翻轉Q 0觸發器兩端輸出極性相反、寬度取決于 C1和C2的脈沖。有分析可以看出，電路充放電的時間，即觸發器輸出方波脈沖的寬度受電容 C1、C2調制。當C1 =C2時，各點的電壓波形如圖4.2a所示，Q和Q兩端電平的脈沖寬度相等，A、B兩點間的平均電壓值為零當C1 C2時，各點的電壓波形如圖4.2b所示，有圖可見，A、B兩點間的平均電壓值不圖4.2 各點的波形圖Fig.4.2 The Waveform Graph of Each Point為零31,32。根據電路知識可知:A、 B兩點的電位分別是T2Ua U1，UbU1T1 T2T1

37、 T2其中，Ua、Ub- A點和B點的矩形脈沖的直流分量;(4-1 )T1、T2-分別為C1和C2充電至Ur的所需時間;U1-觸發器輸出的高電位。C1、C2的充放電時間、T2為:U1T1 RQInU1 Ur，T2 R2C2lnU1 Ur(4-2)A、B兩點間的電壓經過低通濾波器濾波后獲得， 等于A、B兩點電位平均值Ua與Ub 之差，即TiT2Uo Ua UbUiU i(4-3)Ti T2 T i T 2Ti T2UiTi T2設Ri R2 R,再把Ti、T2代入式（4-3），則得Ci C2Uo C一 Ui（ 4-4）Ci C2式（4-4）說明差動脈寬調制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正

38、比。對于差動式變極距型電容傳感器，把平行板電容器的公式C -代入式（4-4）中可d得d2 diU0 -Ui（ 4-5）d2 di當差動電容Ci C- Co，即di d- do時，Uo 0 ；若Ci C-，設Ci C-，即di do d,d- do d，則式（4-4）即為 Uo -Uido同樣，對于差動式變面積型電容傳感器來說，則有Uo S-S-Ui（ 4-6）Si S-設電容初始有效面積為So，變化量為 S，則濾波器輸出為：SU o Ui（4-7）So由此可見，對于脈寬調制電路，不論改變平行板電容器的極板面積或是板間距離，其 變化量與輸出量都呈線性關系。總之，差動脈寬調制電路能適用于任何差動式

39、電容傳感器,并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩定度高，不存在穩頻、波形純度 的要求，也不需要相敏檢波與解調等；對元件無線性要求；經過低通濾波器可輸出較大的 直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。這些特點都是其他電容測量電路所無法比擬 的。但是，要實現脈寬調制必須做到33:（i）使參考電壓小于觸發器輸出高電平；（-）當 電容充電電壓大于參考電壓時，要能引起比較器產生脈沖信號，使雙穩態觸發器翻轉；（3） 雙穩態觸發器必須一端高電位，另一端低電位，不能同時存在高電位或低電位。另外，為消除分布電容的影響，調寬線路比較器采用集成電路，要求高分辨能力、高動態響應、高輸入阻抗。此外，兩比較

40、器性能應盡量相同，溫度輸入漂移應低34,35所以在選擇元器件時應注意這些細節4.2 測量電路元件選擇電路中涉及的元器件有：電壓源、比較器芯片、雙穩態觸發器、非門芯片，電阻電容， 二極管等，下面一一介紹。4.2.1 基準電壓源的選擇總電路需要一個穩定的基準電壓源提供電壓。選擇YB1731A 5A雙路直流穩壓電源，該電源有如下特點：（1）用四組LED顯示器分別指示兩路電壓和電流值；（ 2）具有穩壓、穩流功能且穩壓與穩流狀態能自動轉換；（3）采用電流限制保護方式而且限流點可任意調節；（4）兩路輸出電壓可以任意串聯或并聯，在串聯或并聯時，可由一路主電源進行電壓 或電流（并聯）跟蹤；（ 5）具有過載和短

41、路保護功能。YB1731A 5A相關技術參數：輸出電壓 0-30V ;輸出電流 0-5A;負載效應 CV 5X 10A-4+2mV , CC 5X 10A3+10mA 電源效應 CV 1 X 10A4+0.5mV, CC 5X 10A-3+1mA 紋波及噪聲 CV ImVrms, CC ImArms 顯示精度 土 1%+2個字；工作溫度 040 C;可靠性MTBF2000h;電源電壓 AC 200V 10%;50Hz 5%。4.2.2 參考電壓的選擇脈沖調寬測量電路中，要求參考電壓源提供穩定、準確的電壓，設計中選擇通過滑動 變阻器分壓來實現，其中滑動變阻器的供電電壓為上述電源所提供。參考電壓電

42、路如圖圖 4.3 參考電壓電路Fig.4.3 Reference Voltage Circuit4.2.3 比較器的選擇比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。比較器僅有兩個不同的輸出狀態，即零電平和電源電壓。在選擇比 較器時，比較器的輸出延遲時間是選擇的關鍵參數，延遲時間包括信號通過元器件產生的 傳輸延遲和信號的上升時間與下降時間，高速的比較器對電路的響應具有重要作用。通過 考慮，選擇了比較專業的電壓比較器 LM339/LM339N下面介紹一下該芯片結構及應用技巧。圖 4.4 LM339 引腳圖Fig.4.4 Pin Diagram of

43、 LM339LM339 集成塊采用 C-14 型封裝， 外型及管腳排列如圖 4.4 所示。 它部裝有四個獨立的 電壓比較器，該電壓比較器的特點是：（1）失調電壓小，典型值為2mV （2）電源電壓圍寬，單電源為 2-36V，雙電源電壓 為土 1V- 18V;（ 3）對比較信號源的阻限制較寬；（4）共模圍很大，為0 （VCC-1.5V） Vo；（5）差動輸入電壓圍較大，大到可以等于電源電壓； （6）輸出端電位可靈活方便地選 用。LM339 類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩 個輸入端一個稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個稱為反相輸入端，用“ -”表示。用 作比

44、較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可 選擇LM339輸入共模圍的任何一點），另外加一個帶比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“ +”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，把 LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源 一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 3-15K）。選擇不同的阻值的上拉電阻會影響輸出端 高電位的值。因為當輸出晶體三極管

45、截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負 載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。4.2.4 雙穩態觸發器的選擇脈沖調寬電路中要求通過雙穩態觸發器輸入端高、低電位的變化實現輸出端高、低電 位的變化。設計中采用了由四個R-S鎖存器構成的74LS279雙穩態觸發器。其結構如圖4.5 所示。圖 4.5 74LS279 引腳圖Fig.4.5 Pin Diagram of 74LS279由圖可知，四個鎖存器中有兩個具有兩個置位端（Sl, S2 ）。當S為低電平，R為高 電平時，輸出端Q為高電平；當S為高電平，R為低電平時，Q為低電平；當S和R均為 高電平時，Q被鎖存在已建立的電平中；當S

46、和R均為低電平時，Q為不穩定的高電平狀 態。因此可得其真值表如下：表4.1 74LS279真值表 注：1為高電平，0為低電平Table.4.1 True Value Table of 74LS279 Note:1-High Level,0-Low LeveI輸入輸出S1RQ000不穩定咼電平00/1110/10111100111不變74LS279的推薦工作條件：電源電壓Vcc滿足4.75V Vcc 5.25V，一般取Vcc=5V;輸 入高電平電壓Vih滿足Vih 2.0V;輸入低電平電壓Vil滿足Vil 0.8V ;輸出高電平電流Ioh滿 足Ioh -400 A，輸出低電平Iol滿足|ol 8

47、mA;脈沖寬度不得小于20ns；工作溫度區間 為-40 C Ta 85 C。4.2.5非門芯片的選擇由于雙穩態觸發器74LS279沒有Q輸出端，因而考慮在Q端之后加接一個非門芯片來 實現。芯片型號為74HC04引腳如圖4.6所示。圖4.6 74HC04弓I腳圖Fig.4.6 Pin Diagram of 74HC04推薦工作條件：電源電壓Vcc滿足2 Vcc 6, 般取Vcc=5V;輸入高電平電壓Vih滿 足Vih 3.15V ;輸入低電平電壓V|L滿足V|L 1.35 ;輸入電壓最大可達到Vcc ;輸出電壓最 大可達到Vcc。4.2.6低通濾波器的選擇設截止頻率為c ,頻率低于c的信號可以通

48、過，高于c的信號被衰減的濾波電路 稱為低通濾波器。低通濾波器可以作為直流電源整流后的濾波電路，以便得到平滑的直流 電壓。由差動脈沖調寬電路原理圖（圖 4.1 ）可知，只需經過一個低通濾波器即可得到直流 輸出電壓Uo。通常來說，濾波器分為有源濾波器與無源濾波器兩種， 低通濾波器也不例外, 在這里將分別介紹這兩種濾波器在該設計中的應用。首先，如圖4.7所示，這是一個最簡單的一階無源低通濾波器，圖4.7 一階無源低通濾波器Fig.4.7 The First-order Passive Low-pass Filter電路中只包含一個電阻，一個電容，結構簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能。但 它的負載能

49、力差，對于直流信號，負載開路時，信號將無衰減的輸出；但外電路有負載時, 信號將會被衰減。由電路可得，該電路的傳遞函數為HsU1A 丄Ui s s 1(4-8)其中 RC，稱為時間常數，對上式求傅立葉變換可得其頻率響應函數為(4-9)其幅頻特性A 為(4-10)低通濾波器的截止頻率為(4-11)fc =2 RC由于負載對于RC無源濾波器具有較大的影響，常常在后面加接運算放大器，構成一 階有源RC濾波器電路，如圖4.8所示R3RFl CiriF 1圖4.8 階有源低通濾波器Fig.4.8 The First-order Active Low-pass Filter該電路的傳遞函數為(4-12),

50、U0 s K H sui ss 1式中K 1 RF ,R3頻率特性為(4-13)與無源濾波器相比，有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可直接級聯,不需要進行阻抗匹配，同時，有源濾波器電路還可以進行增益調整，通過調節橋臂電阻， 可補償電路中的增益衰減。電路對直流信號及低頻信號幾乎無增益衰減。相對于無源濾波 器，有源濾波器有著無可替代的優勢，在大部分場合，都采用有源濾波器昭。不過在本設計中，電路對輸入輸出阻抗沒有特別要求，所以兩種濾波器在這里都是可行的。另外，由 于輸出有兩點的電壓需要濾波，所以可以采用先差動放大在接RC濾波器的方法，電路如下圖所示：圖4.9 A、B點輸出電壓處理電路Fi

51、g.4.9 Output Voltage Processing Circuit of A ,B針對有源濾波器與圖4.9中使用的運算放大器，下面簡要介紹。4.2.7運算放大器介紹本設計中所用的運算放大器為LM324部還有四個獨立的運算放大器，適合電源電壓圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源 電壓無關。LM324的引腳圖如圖4.10所示，圖4.10 LM324引腳圖Fig.4.10 Pin Diagram of LM324該芯片有如下特點：具有短路保護輸出；真差動輸入級；低偏置電流，最大100nA具有部補償功能；共模圍擴展到負電源；輸入端具有靜電保護功能；

52、電源圍寬，單電源 3V 至32V電源或者雙電源 1.5V至16V;另外，它具有1M的帶寬，完全可以滿足本設計中 濾波器的要求。4.3測量電路元器件參數計算與確定本設計中所要確定的參數有充放電電路的電阻R1、R2，電容C1、C2，比較器輸出上拉電阻，運放所需的電阻、電容，比較器參考電壓的設定，觸發器輸出高電壓等，下面將 逐一介紹。通過查閱資料了解，電容傳感器初始電容很小(20-100pF)。在這里選取初始電容C1=C2=30pF,選擇電阻值R = R2=300kQ。參考電壓U=2V,基準電壓為5V,即觸發器輸出的高電位U1=5匕（注意：參考電壓要比觸發器輸出高電壓要小，一般取Ur=1U137,3

53、8）2分別由式（4-2 ）計算可得：1012 In =9.195 s ；5 2(4-14)I I 1周期為 T=2R1C1ln- =2 300 103 30U1 Ur1 1頻率為 f =0.109 MHz =109kHz ；T 9.195低通濾波器的截止頻率公式為fc12 RC本設計中取R=1k C=0.01 F，則6 =15.9 kHz。低通濾波器的截止頻率為2! / 0312V,觸發器工低通濾波器所使用的運算放大器倍數選為6倍，電阻R3=10k, Rf =50k。另外，各芯片的電源電壓確定如下：比較器采用雙電源供電，電壓為 作電壓選取+5V,非門芯片與運放工作電壓均為+5V。4.4本章小結

54、本章節對脈寬調制電路進行了詳細的論述，分析和了解了電路的結構及其工作原理，針對其中的每一個芯片電路都有詳細的介紹。另外值得注意的是，在電阻R1、R2相等的情況下，電路的充放電時間完全取決于電容式傳感器本身的參數，而與外接前置電路的參數無關，這一特性極具價值，此時只須將精力集中在工藝設計上，即設法減少工作布線及 安裝方式或多或少引入的分布電容，以進一步提高電容式傳感器的檢測精度。第五章實驗結果與誤差分析5.1實驗準備5.1.1實驗器材實驗前準備面包板一個，比較器 LM339-個，觸發器74LS279個，非門芯片74HC04 一個，運算放大器LM324一個，4.7k電阻兩個，200k電阻兩個，1k電阻兩個，二極管兩 個，0.01卩電容兩個，30pF電容兩個，導線若干，電源，示波器，金屬板及有機玻璃板等。5.1.2實驗步驟1、按實驗原理圖接線；2、檢查是否存在導線短接、芯片引腳損壞、芯片使用方法不對的現象；3、接通電源，用示波器查看測試點（A B F和G點）波形； 面包板接線圖如下：圖5.1面包板實物圖Fig.5.1 Bread Board Diagram5.2測量電路波