电容式微位移传感器的结构及其应用研究

电容式微位移传感器的结构及其应⽤研究
电容式微位移传感器的结构及其应⽤研究 0. 摘要
主要介绍了电容式位移传感器的原理、测量电路和在实际⽣活中的应⽤，主要是变间隙式电容传感器，采⽤电容运算放⼤器检测电路，并设计了⼀种改进型的检测电路，详细介绍了⼀种JDC 电容测微仪的组成及改进。

1. 引⾔
电容式位移传感器具有精度⾼，结构简单，功耗低，成本低等典型特点，在现代化设备和制造系统⾃动化控制中电容式传感器运⽤得越来越多。

电容式位移传感器的设计关键是研制信号调整电路，把所测位移的变化量准确地转换成电压变化量。

运算放⼤器检测法的输出电压变化量于被测位移变化量成正⽐，从原理上解决了变间隙式电容位移传感器输出特性的⾮线性问题。

2. 变间隙电容位移传感器的原理
如图1所⽰，对于平⾏板电容器，当不考虑边缘效应时，器电容为 d s c /ε=（1）
式中：ε为介质的介电常数；s 为极板⾯积；d 为极板距离。

在电容上施加⼀个周期为f 的交流电压时，电容的电抗为
fC
π21x c = (2) fS d πε2x c =
(3) 电容上的电压和电流的关系为
U=I ·x c （4） U=I ·)2/(fS d πε（5）
当保持电流I 恒定时，两极板距离越⼤，电抗就越⼤，电压随之增⼤，其变化与距离成线性关系。

3. 测量电路
电容式位移传感器的运算放⼤器检测法原理如图2所⽰。

电容传感器的侧头和被测物体构成传感器电容C x 的2个极板，C ref 为参考电容。

等效杂散电容C s 分布在传感器电容的两端，电容传感器采⽤
等位环技术和驱动电缆技术，C s 降低到较
⼩。

运算放⼤器A 的输⼊阻抗很⾼，增益很
⼤，由于运算放⼤器A 的反向输⼊端虚地，
杂散电容C s
两端相当于接地，对电路影响图2 电容运算放⼤器检测原理
很⼩。

U in 为激励源电压，由电路原理，有：
dx S
C U U ref in out ε-=（6）可知，输出电压U out 与动极板的位移x d 成线性关系，从原理上解决了变间隙
式电容式位移传感器输出特性的⾮线性问题。

4. 改进型电容运算放⼤器检测电路
由于实际运算放⼤器的开环放⼤倍数不能⽆穷⼤，传统的电容运算放⼤器检测⽅法存在⾮线性误差。

为减⼩⾮线性误差，设计⼀种改进型的电容运算放⼤器检测⽅法，如图3所⽰，⼤⼤提⾼放⼤倍数和增⼤输⼊阻抗，使电路具有跟⾼的分辨⼒和⾮线性度。

⼤阻值电阻R 1与C 1并联，控制
A 1,C C ref 1，和R 1成⾼通滤波器，滤
除低频⼲扰;双T 型滤波器陷波频率
为100kHz ，A 2（⾼速、低能耗的
AD817）对于正弦激励信号相当于开
环；对激励信号，其放⼤倍数为A 1的
闭环放⼤倍数与A 2的开环放⼤倍数
之积，其输⼊阻抗为A 1的输⼊阻抗。

5. 应⽤
电容式微位移传感器近来被⼴泛应⽤于航空、航天及⼯业⽣产部门测量微⼩位移、微⼩尺⼨以及测量振动和压⼒等各领域，⽬前，电容测微仪正朝着智能化、⼩型化及模块化⽅向发展，其体积越来越⼩。

⽤单⽚机或微机进⾏测量数据采集、数据通讯及⾮线性误差修正等⼯作，使其在功能、性能等⽅⾯有了较⼤的飞跃。

本⽂
主要介绍⼀种JDC 电容测微
仪的组成及改进。

JDC 电容测微仪由电容
传感器、测量电路以及配套
的数据传输系统组成，系统组成如图4所⽰。

图5为JDC 系列电容测微仪电路模块化框图，仪器主要由精密稳幅振荡器、精密整流器、⾼增益主放⼤器、MAX298（8阶巴特沃斯滤波器）、调零电路、DC/DC 变换构成的稳压电源组成。

其作⽤与特点如下：
1) 通过运算放⼤器和⼆极管构成的电路，使精密稳幅振荡器的信号
稳定度⾼于万分之⼀;
2) 主放⼤器的作⽤是和电容传感器⼀起实现运算，为保证精度以及
电缆驱动的效果，该放⼤器的开环放⼤倍数A v 应⾜够⼤，⼀般在
90~95dB ，同时，其输
⼊电容和相移应⾜够
⼩；
3) 精密整流器的作⽤是
对放⼤器输出的调幅
信号进⾏整流；
4) 调零电路的作⽤是让
仪器有合适的⼯作点，以保证最⼤的测
量范围和最好的线性，并且使仪器的输出能适应数据采集系统的
要求；
5) MAX298（8阶巴特沃斯滤波器）可以实现0~4kHz 频率的信号输
出；
6) 通过LabView 环境下编制的程序，利⽤RS-232串⼝与计算机通信；
7) ⽤USB/RS232转换电缆连接仪器和计算机，在原程序中加⼊相应
代码即可实现USB ⼝的通信。

在仪器的输出部分，有RS232接⼝或USB ⼝直接输出数字量，提⾼了输出信号的抗⼲扰性，并可与各种数据处理设备连接，使仪器使⽤更加灵活。

6. 结束语
本⽂介绍的电容式微位移传感器，具有检测范围⼤、性能稳定、灵敏度⾼和成本低等优点，可⼴泛⽤于航空、航天及⼯业⽣产部门测量微⼩位移、微⼩尺⼨以及测量振动和压⼒等各领域。