脉宽调制型差动电容位移传感器的研究

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1、脉宽调制型差动电容位移传感器的研究第一章绪论1.1本课题研究背景在工、农业生产、科学研究、国防建设及国民经济的各部门中，经常需要检测各种参数和物理量，获取被测对象的定量信息，以便进行监视和控制，使设备或系统处于最佳运行状态，并保证生产的安全、经济及高质量。在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多的参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性[1]。在被测物理量中，非电量占了绝大部分，例如压力、温度、湿度、流量、液位、力、应变、位移、速度、加速度、振幅等等。非电量测量可以通过各种对应的敏感元件，将被测物理量转换成与之

2、有对应关系的电压、电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径[2]。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、易实现非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作[3]。电容传感器广泛的应用于多种检测系统中，用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄

3、生电容影响大等。上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器[4]。1.2本课题研究目的和意义-43-由于电容传感器的广泛采用，不可避免地要涉及到电容的测量问题。对感应信号的提取与非电量参数测量的成功与否有着密切关系。电容式传感器将被测非电量信号变换成电容变化，但电容值不能直接用现有的显示仪器来显示，更难于传输，必须借助测量电路将电容变化量转换为电压、电流或频率信号，以便显示、记

4、录和传输。对于电容/电压转换电路，如何将电容变化量准确地转换为电压信号至关重要，它直接关系到后续测量的准确性[5]。在测量仪器设计过程中，往往由于体积或测量环境的制约，电容传感器电容的变化量一般都较小，往往仅有几个或几十个皮法的大小，属于微弱电容的检测[6,7]。在某些场合,例如电容层析成像系统中，传感电容的变化量小至fF级[8]。在现阶段测量微小电容主要有以下几方面的困难[9,10]：①杂散电容往往要比被测电容高的多，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素而变化，被测量常被淹没在干扰信号中；②测量电路一般要使用一定量

5、的电子开关,但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除；③由于测量对象的快速多变性,需要较高的数据采集速度,但采集速度和降低噪声的矛盾难以解决,滤波器的存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题。因此，要考虑引线电容、电路设计的寄生电容以及环境变化的影响等因素，使电容传感器调理电路设计相当复杂，并且由于分立元件过多，也将影响电容的测量精度[11,12]。从工业角度而言，微小电容测量电路须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散等要求。综上所述，研究电容式传感器及其测量电路对测量仪器的发展有着重要意义。1.3研究现状经过几十年的发展，电容式传感

6、器技术已经相当成熟。根据市场及工程应用的需要，国内外多家公司已经开发出多种型号电容式位移传感器测微系统，国内多处于理论分析阶段，而国外公司技术相对较为成熟。MTI（美国）公司开发的AS-5000电容式位移传感器如图1-1所示。该传感器具有超高精度、高稳定性、高频率和分辨率。其分辨率能达到0.0025μm，频率响应可达到20kHz，线性度为±0.1％，高温型探头抗温可达500℃，在16℃-35℃的情况下，温漂低于±0.1％。德国米铱公司开发的capaNCDT620精密电容式位移传感器如图1-2所示。该传感器最高分辨率为2纳米，线性度达0.2％，传感

7、器工作温度范围-50℃-﹢200℃-43-。该传感器在测量导电材料时，不须另外进行线性化工作，导电性能的差异不会影响灵敏度和线性，给现场测量带来极大方便。capaNCDT620也可以测量绝缘材料的位移，但是线性化须专门进行，材料相同的介电常数是精确测量的条件。图1.1AS-5000电容式位移传感器实物图图1.2capaNCDT620精密电容式位移传感器实物图Fig.1.1PhysicalMapofCapacitiveFig.1.2PhysicalMapofPrecisionCapacitiveDisplacementSensorAS-5000Di

8、splacementSensorcapaNCDT620电容式位移传感器在设计应用中往往存在以下的问题：1、电容检测电路非线性，不便于后续