电容传感器测量位移电路仿真设计及原理

摘要

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。电容式传感器就是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。本文设计介绍了一种电容式传感器测量位移的设计结构及其工作原理。

关键字：电容式传感器，平行电极，位移

目录

摘要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 引言。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 传感器转换电路仿真调试及原理分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1．同相比例放大电路

2.二阶低通滤波器电路

电容式传感器测量电路设计及分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 误差分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 学习心得。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8参考文献资料。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9

引言

传感器是科学仪器、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术，是先进国家优先发展的重要基础性技术。传感器与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱。

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

传感器转换电路仿真调试及原理分析

1．同相比例放大电路

同相输入放大电路如图1所示，信

号电压通过电阻RS加到运放的同相输

入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反

馈到运放的反相输入端，构成电压串联

负反馈放大电路。

根据虚短、虚断的概念有

vN=vP=vS，i1=if

于是求得

所以该电路实现同相比例运算。

2.二阶低通滤波器电路

二阶压控电压源低通滤波器的传递函数如下: 令

则有

上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中ωn 为特征角频率，而Q 则称为等效品质因数。

二阶有源低通滤波幅频特性如下图

电容式传感器测量电路设计及分析

电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。

由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，对平行极板电容器，电容量为

0r S

S

C d d εεε==

根据我们所需要测量的物理量为位移，我们选择面积变化型电容传感器。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C ＝εA ／d 关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A 、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以测我们所需的位移。我们选择的电容传感器极板形状为平板，

变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。它是有二个外极板和一个内极板组成的。设极板的位移为x ，板宽为a ，极板间距离为d ，当动极板移动后,极板相对有效面积发生变化，

对应的电容值为：

()0x b a x b x C C d d εε-∆∆==-所以

灵敏度：

C b k x d ε∆=-=∆ 此时根据实验所需我们设计了二极管双T 型交流电桥测量电路，如下图：

原理说明：

当UE 为正半周时，二极管D1导通、D2截止，于是电容C1充电;在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL 放电， 流过RL 的电流为I1。U1在负半周内，D2导通、D1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL 放电，流过RL 的电流为I2。根据上面所给的条件，则电流I1 =I2，且方向相反，在一个周期内流过RL 的平均电流为零。

若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成一阶电路：

当供电电压是幅值为±UE 、周期为T 、占空比为50%的方波，可直接得到流过电容C2的电流iC2：

221()exp ()()L L C E L L L L R R R t i U R R R R R R R R R R C ⎡⎤++-=⎢⎥++++⎣⎦

正半周电流iC2的平均值IC2可以写成：

22222002111T L C C C E L

R R I i dt i dt U C T T T R R ∞+=≈=+⎰⎰ 同理，可得负半周时流过电容C1的平均电流IC1为

1121L C E L R R I U C T R R +=+ 故在负载RL 上产生的电压为：

012122(2)()()()L L L E C C L L RR RR R R U U I I C C R R T R R +=-=-++

当RL 已知时，2(2)

()L L L RR R R R R ++为常数，设为K ，则：

012()E U K f U C C ≈⨯⨯⨯-

式中，f ――电源电压的频率。

表明，传感器的输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T 形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源参数确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数。

最后在输出端接一个电容式整流同相放大器，起到放大示数整理波形的的作用。 Uo 的波形和示数 整理后Uob 的波形和示数