基于电容传感器的微小位移测试系统的设计学位论文.docx
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基于电容传感器的微小位移测试系统的设计学位论文
毕业设计
题目基于电容传感器的微小位移
测试系统的设计
学院机械工程学院
专业机械工程及自动化
班级机自0702
学生王云海
学号20070403206
指导教师马玉真
二〇一一年五月三十日
1前言
1.1选题的意义
近几年的机械发展从传统化向科技化发展，以致是无论在试验室测试还是机械工业生产应用中，其生产要求的提高，使得人们对物体测量位移尺寸的要求也变得越来越高，甚至在必要时要精确到微米级甚至是纳米级，但传统的测量工具已经逐渐的落伍，如皮卷尺、直尺和千分尺都已经不能满足要求，一些大型实验室的精密仪器可以测量，但是价格昂贵，不能普及。
随着现代科学技术的发展，针对位移特别是微小位移的测量方法应时代的发展，如雨后春笋般出现，基本上现在的位移测量和信号分析大多是靠电子仪器来实现的。
对于这种情况，本课题寻求的是设计一种结构简单且廉价的微位移测量系统。
随着机械工业的迅猛需要，在大位移的测量逐渐满足不了测量要求的时候，这就促使着测量技术逐渐的向微小位移测量的方向发展。
其测量方式也发生着本质性的改变，由以前粗略的纯手工测量转变为较为精准的系统化标准测量，而测量方法也由单纯的机械测量衍化为更为先进的光电技术参与的复杂测量。
当前技术水平下的传感器系统正迈入飞速发展阶段，并且开始向着多功能化、微小型化、和系统化的方向发展。
今后，随着CAD技术、单片机技术、信息理论及数据分析算法的继续成熟发展，未来的传感器系统必将变得更加多功能化、普遍化、微型化、智能化和系统化。
在各种新兴科学技术大肆发展、并应用于现实的当今社会，作为现代科学最为有力并应用最为广泛的传感器技术，并且是作为人们可以更快的获取并分析利用有效的各种信息的基础，传感器技术必将会进一步得到社会各界的广泛关注并注定会承载着其在未来需要发挥的作用。
传感器的市场必将在未来的发展中更加壮大、也会显现出它在各个领域的威力。
伴随着电子技术进入的黄金发展期，现在的科学技术也解决了电容式传感器曾经存在的许多技术问题，完善了电容式传感器的功能与应用，传感器的应用意义可以说是无与伦比，工业生产、信息探索…都有着传感器的身影。
传感器的应用不仅仅是再局限于精确测量角位移、厚度以及振动等物理量的测量，现代的传感器更是引申到了测量力、压力、压差、流量、温度等参数的先进技术，甚至于在自动检测与控制系统中也会发挥着极其重要的作用。
随着电容传感器技术的成熟，它早已渗透到社会发展的各个领域中。
无论是机械生产、宇宙探测、资源开发、还是文物保护、生物工程等偏僻领域都有着传感器的身影。
甚至可以毫不夸张地说，上到广阔的太空，下到浩瀚的海洋，不管说是复杂的还是简单的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
传感器成为了现代社会发展基石。
基于微小位移的测量，传感器的应用也是非常的广泛，而且其造价更是适中，而且优点众多，因此此次设计是利用电容传感器来完成的。
目前,对于微位移测量已日趋成熟，有多种方法来实现这一设计,如,差动电容小位移传感器的设计，激光位移传感器测量、光纤位移传感器的设计、基于单片机的电容式位移测量系统的设计。
但综合比较这几种方法，再通过图书馆查阅各种资料，综合构思出了利用电容传感器构成的非接触角位移测量系统,再配合单片机进行数据处理及控制的系统设计理论,并就此理论来完成系统设计，使得测量系统更具有经济适宜、结构简单、灵敏度高、响应快、测量范围广、抵抗恶劣环境等一系列特点。
1.2国内外现状
电容测微计可以算是近年来发展最快的位移测量方法之一。
起始时间很早，早在1910年，委利（Villey.J）就开始应用电容器的原理来测量小位移，虽然那时还不成熟甚至于说是生涩，但却是开始了电容传感器的历史并开始显现，但是直到惠丁顿（Whiddington,R.,1920）的超测微计问世后才引起人们对电容传感器的广泛注意，它已能分辨电极间距1埃的变化。
位移传感器的研究生产在国内外已经有很长的历史，长时间的研究使其有了长足的发展并形成了全球的系统化。
国外也有许多公司和研究所专门针对传感器的研制和生产，其中，作为传感器技术领先者的国际知名品牌TURCK，一直是深受人们关注和重视。
2005年初，其公司带来了其极具创新意义的产品：
新一代的电感式传感器UPROX十。
新一代传感器的核心技术是采用的具有专利技术的柔性多线圈系统替，而不是传统的空气线圈。
日前，最为先进的三端电容传感器代表着电容传感器的技术领先程度，其最小的已可测出5×10-5μm的微位移，关于其稳定性方面，甚至已经达到每天漂移几个10-9㎜程度，其线性优于1.5%。
还有UPROX十传感器具有无与伦比的性能特性，其技术核心主要体现在三方面：
（1）首先是创造性的印刷电路板线圈结构；
（2）再次是柔性多线圈系统替代了传统落后的铁芯缠绕线圈以及其上一代的产品所采用的空气线圈；
（3）第三是采用了高性能的集成电路芯片。
对于我国的电容传感器技术的发展，天津大学精密测试技术及仪器国家重点试验室里的许多老师对于电容传感器都有独到的研究，他们发明和制作了许多应用电容作传感器的测量仪器，应用在现代生产中。
国内有许多院校、厂家以及科研单位从事传感器的研制和开发，并一直在跟随着世界发展的水平。
。
电容传感器存在许多让人们对其抱有希望的优点，包括灵敏度高、精度高、动态响应好、结构简单等优点，因此很早的时候就有人利用它来测量位移、厚度、温度、振动等。
但由于当时电容传感器本身存在一些问题和缺陷，技术发展不够成熟，使它的应用受到了一定的制约。
近二十年来，随着电子技术的发展，电容传感器开始凸现其优越性，小型元件的出现，使得电子线路能靠近传感器，这就降低了噪声，提高了灵敏度，进一步完善了电容传感器。
目前，全球的传感器市场在不断变化，传感器的这份大蛋糕也被各种公司、实验室竞争抢占，传感器的发展在其创新中又呈现出了快速增长的趋势。
许多的专家指出，传感器领域的主要技术在未来的发展中会在现有基础上更进一步的提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日趋激烈。
新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，并成就传感器的辉煌。
1.3研究内容与目标
所谓的电容传感器，就是利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量转换为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的设备。
电容传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号，然后将电信号通过A/D转换电路反映在显示器上。
为了达到这一效果，通常将可变位置滑块定置在传感器的下方，通过滑块在轨迹上的位移来测量微小的位移。
传感器连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，再通过电路转换在示波器的显示，然后在PC机上完成微小位移的计算。
1.3.1研究内容
该设计题目属于机电一体化系统设计的内容，应用到课程包括：
测试技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、机械零件、机电传动、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量、数控技术、计算机辅助电路设计、计算机辅助绘图等。
电容传感器的测量原理就是需要将所测的力学量通过电路变换，使其成为电信号后进行放大和处理，并在PC机上显示出测量结果。
根据所学专业知识，完成基于电容传感器的微位移测量系统的的整体设计，包括微小位移的产生和进给系统、传感器安装和固定系统、手动控制系统等几个部分
通过资料显示，从能量转换的方向上来说，电容其实变换器其实就是无源变换器，另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5μm数量级。
下面主要介绍下电容传感器的优点及选择原因
（1）测量范围大：
其相对变化率可超过100%；
（2）灵敏度高：
如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；
（3）动态响应快：
因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；
（4）稳定性好：
由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，众所周知无机材料在高温、低温强磁场、强辐射下不会出现形变与失效等情况，故电容传感器可以在恶劣的环境下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
根据我们自己了解的位移测量，就专业知识了解，力学量中的角位移、线位移、厚度、拉伸量、变形等都跟长度有着密切相关联系的量；都是需要测量的长度单位，这些量又都是需要通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。
这就提示了我们在对这些物理量进行测量的时候可以采用一种相同的传感器进行测量，并都需要进行电路转换，以达到精确测量的目的。
1.3.2研究目标
该系统的指标如下：
1．系统最大检测位移为1mm；
2．位移进给采用螺旋传动；
3．位移转换采用楔形装置；
4．位移进给装置应具有读数功能。
2微位移测量的原理
电容测微仪就是将被测位移转化为电量变化的微位移测量仪,它具有频率响应快、灵敏度高、稳定性好、输出信号直接转换成电信号，测量为非接触方式、不产生测力变形等特点。
2.1电容测微系统
JDC非接触式电容测微仪是由电容传感器、螺旋测微仪、微动测量台架、显示器、标准量块以及单片机系统组成的，仪器的系统组成示意图如图2-1所示:
图2-1JDC型电容传感器测试系统原理图
图2-2为JDC型电容传感器测试系统的示意图
图2-2JDC型电容传感器测试系统的示意图
电容传感器运算电路的原理如图2-3所示，根据反馈放大原理，当放大器的开环增益AV和输入阻抗Zi足够大的时候，放大器的闭环输出为：
其中，
—传感器电容CT的阻抗
—固定电容CO的阻抗
Vs—信号源电压
把ZF、ZI带入上式，有：
上式中由于
为常量，因此输出电压VO与传感器两极板间的距离h为线性关系。
图2-3电容传感器运算式线路原理
运算式线路的主要特点是：
1）由于输出电压与h之间为线性关系，故而从原理上消除了CT—h非线性关系所带来的影响，整机的非线性误差小，测量精度高。
2）输出电压与CO/CT的比值有关，且由于电缆的分布电容可以通过采用“驱动电缆技术”而加以基本消除，因此传感器的电容可以很小，即也可以把侧头直径做的很小。
2.2电容传感器的原理结构
传感器为一个平板，被测件为另一个平板。
它们构成了一个平行板电容器，电容与极距、介电常数、极板面积之间的关系为：
其中
——介质的介电常数；
S——极板的面积；
——极板间的距离；
CT——传感器电容（F）
图2-4电容传感器的原理图
测微原理如图2-5所示：
利用电容C＝εS／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S、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，则可以有测谷物湿度、测位移和测量液位等多种电容传感器。
图2-5电容传感器测微原理
电容传感器的工作原理：
平面变间隙式电容传感器是由两个相互平行的平面极板组成的（通常是由被测件作为固定极板，测头作为可动极板），它们构成了一个平行板电容器（图2-6所示）
电容传感器的结构示意图如图2—7所示。
圆柱型传感器是由三个同轴层组成的：
中心部分为金属测头，作为平行板电容器的一个极板，其横截面积就是电容器的有效作用面积；最外层是保护环，它的设置是为了改善传感电容器在有效作用面积内电场的边缘效应，使有效作用面积区内的电力线基本不发生弯曲，从而使传感器的电容量与极板间距之间保持规则的关系。
保护环应该与测头等电位，并且应与测头绝缘，才能起到上面的作用，因此在测头与保护环之间加上一绝缘层，并且用电气方法使测头与保护环等电位，同时必须保证它们之间电气绝缘。
由于传感器电容量一般很小，因此传感器必须用特殊的电缆并采取特殊的技术措施连接到仪器的测量线路中。
（1）传感器电场的边缘效应会使CT与h之间的关系变得极为复杂，一般是通过前述的加保护环的方法加以解决。
同时，在进行传感器结构尺寸设计时，应适当选取保护环的内外直径。
（2）当被测表面不是平面时（例如轴、孔的表面），CT与h之间的关系不是式（2—1）的关系，此时可以在满足各种技术要求的前提下尽可能地选用小直径的测头，或将测头端面设计与被测表面相对应的形状。
（3）根据电容传感器的电容计算公式，与h之CT间为非线性的双曲线关系，为了使仪器的输与输入的位移之间保持线性关系，在转换电路中要采取必要的措施。
图2-6电容传感器原理图图2-7电容传感器结构示意图
2.3电容传感器的分类
电容传感器是将被测物体参数的变化转换成电容变化的测量装置。
从电容传感器结构及型式上来看，目前主要有平面变极距型、平面变面积型、平面变介质型等类型，在一些特殊场合下也采用曲面型的上述传感器。
在这些传感器中，最基本的就是平面变极距型，它主要用于精密位移、振动测量，精密定位及其他一些测控场合。
2.3.1变极距型电容传感器
变极距型平行板电容传感器应用较其他最为广泛，主要用于测量微小位移和振动变化等，其结构示意图如图2-8所示，
图2-8平行板电容器变极距示意图
其中l为可动极板，2为固定极板，当动片1因被测量变化引起移动时，就改变了两极板间的初始距离h，从而改变了电容量C。
我们本次设计用的就是变极距型电容传感器。
楔形块与电容传感器之间形成极板间距，随着楔形块地移动导致电容量的变化，通过电路转换从而达到微小位移测量的实现。
其电容值的计算公式为
式中：
K——电容系数（K=1/（1.36π）=0.08846pF/cm），即真空中介电常数；
S——极板面积（cm2）；
h——极板间距（cm）；
——介质相对介电常数。
2.3.2变面积型电容传感器
如图2-9所示，该图表示为变极板相对面积的电容传感器，设两极板间遮盖面积为A（A=a．b），当其中一极板沿x方向移动时，遮盖面积A就发生变化，此时其电容值Cx为：
式中：
其灵敏度为：
因此通过公式我们可以看出，b的增加或者是h的减小都可以提高传感器的灵敏度，极板宽度a对灵敏度没有影响，但是对于边缘效应却有影响。
当然，变面积型电容传感器的优点是输出呈良好的线性，量程更是不受线性范围的限制，由于其有如此特性，因此它可以适用于检测较大直线位移和角位移等参数，相应的，其缺点就是该类型的传感器与变极距型的电容传感器相比，其灵敏度较低，测量相对不准确，容易产生大的误差。
图2-9变面积型电容传感器
2.3.3变介质型电容传感器
这种传感器有较多的结构表示形式。
因为只要在传感器中的介质的介电常数ε不同，便可以存在多种结构表达形式。
何谓变介质型，即在两电极板间增加不同的介质时，介电常数ε将会相应的发生改变，介电常数的变化，当然会使电容量也随之改变。
由于其存在这种特性，也就是表明了这种传感器的特殊应用所在。
通过表达式
我们可以看出，介电常数的变化导致着电容量的变化。
因此变介质型电容传感器常用于检测容器液位高度或测量材料厚度。
因为介电常数中，液体也可以用来做介电常数。
如图2-10为一种变极板间介质的介电常数的电容传感器，用于测量液位的结构原理图，通过图示我们可以很明了的看出其测量液位的原理。
图2-10变介质型液位电容传感器
3微小位移测试系统的设计与计算
此系统的主要设计部分包括底座，丝杠，传感器支架，滑块轨道。
特别指出的是，本次设计的系统在测量精度的范围以及精度都不同，故在设计的时候需要将传感器支架设计为了两个，其目的是更方便的夹住大小直径不同的电容传感器，这样的好处是完成测量精度范围的测量应用，而底座，滑块则是通过参考同类产品可知需满足产品的尺寸即可。
故只需对丝杠进行计算。
另外，对于底座的设计尤为注意，要特别进行加工。
3.1丝杠的设计及计算
总体来说，滑动螺旋副的主要作用很简单，就是支撑传感器夹具的重量，牢固的支撑电容传感器，所以丝杠的设计主要是他的强度，丝杠的耐磨性。
因此我们现在可以确定选用的材料是45。
下面要完成的是对丝杠的计算，以达到要求的精度。
丝杠中径d的计算，单位mm：
通过对专业课本查找，梯形螺纹和矩形螺纹的计算公式：
其中：
F是轴向载荷，单位N，假设F=1000N；
P是材料的需用应力，单位MPa，，转速为低速，则查《机械设计》P=10MPa；整体式螺母，取φ=2；
带入计算
故可得d
5.6mm；
基于本课题测量的精度问题，我们必须确定的是不能让丝杠发生弯曲变形，所以丝杠的直径不能取得太小，否则会影响测量精度。
故可取丝杠的公称直径d=40mm；查表可知：
导程和螺距都为L0=P=3mm，所以齿高为2mm。
由于所选丝杠的直径远大于所需要的，所以所选的丝杠定能满足使用要求。
如图3-1所示为丝杠的示意图：
图3-1丝杠
3.2传感器支架的设计
对于传感器支架的设计，由于这个系统设计最后要求的是对测量精度要有一个测量范围，而不是单一的大小，故此我们需要在设计的时候设置两个传感器支架来达成课题设计的目的。
由于传感器支架需要支撑传感器，对其强度要求高，因此本设计仪器选择传感器支架的材料为HT200，其采用的方法为铸造。
因为设计的测微系统对精度的要求不同，需时常调整传感器支架的位置来达到测微目的，所以对传感器支架设计精度的要求不是很高，其主要是起到一个夹持固定目的。
传感器支架要固定在丝杠上，通过下方的调节圈来调节传感器支架的位置，以此来完成对传感器位置的调整，最终控制测量的精度。
根据设计要求作出了如下的设计：
小传感器长为122mm，宽为46mm，大传感器支架的长为144mm，宽为46mm。
图3-2为传感器支架的示意图：
图3-2传感器支架
3.3底座的设计
对于底座的设计，其主要是起一个支撑作用，实现与丝杠的配合以达到对其支撑的目的。
其要求材料强度高，对精度没什么太大要求。
故在材料上同样也选择HT200，采用的是铸造的方法。
为了与丝杠的配合，在传感器底座上要进行成孔设计，其次底座还要使下滑块进行平行移动，故在底座上设计了一个燕尾型导轨，并且要配合螺栓对楔形块进行固定。
因此对底座的结构要求稍大。
图3-3底座
底座的设计尺寸为：
长160mm，宽100mm。
这样的设计会是在生产过程中对底座的加工稍显麻烦，但是这样的设计也会使使用者对其原理一目了然，更便于操作。
3.4滑块轨道的设计
滑块导轨的设计关乎到该测微装置的精确度，故在设计的时候需对其作特别的计算与设计，同时由于本系统要求的精确度较高，故对滑块轨道的选择应该选用强度高，并且耐磨性好不易变形的材料,所以我们选择40Cr作为轨道材料。
而系统需通过楔形
装置滑块的位移变化来进行测量。
根据系统设计精度的要求，为了达到预计的设计目的，因此滑块轨道的斜度设计为1:
50。
通过螺旋测微器横向的位移，来使楔形块上块有一个竖直方向的微小位移。
滑块轨道的上滑块与滑块轨道的滑动要保持一定的润滑性，以保证楔形块的自由运动，达到精确度，因此在设计之初要在滑块轨道上设计出油槽，以方便润滑保证测量精度。
根据查阅大量的资料与课本专业知识，滑块轨道的设计图如图3-4所示。
这样的设计就保证了楔形块地合理运行，并可以达到高的精确度，符合设计要求。
图3-4滑块轨道平面图
4微位移测量系统的电路设计
传感器选用平行平面式变极距型电容传感器。
根据这种电容传感器的优点与特性，这种电容传感器一般是用来测量微小量，诸如微小位移测量、振动、塑模厚度等。
在测量范围上可以测到0.01um至零点几mm距离等。
本系统通过电容传感器采集微小位移距离信号，将其变换成电容量的变化，这样就可以在显示器上表达出来。
测量电路由差动脉冲调宽电路、放大电路和滤波电路3部分组成。
（1）差动脉冲调宽电路；
图4-1差动脉冲调宽电路原理图
图2所示为原理图，包括比较器，双稳态触发器及基础电容、传感器电容与二极管，电阻组成的充放电回路。
（2）放大电路的电压增益及放大采用三运放高共模抑制比放大电路；
（3）滤波电路的电压增益采用低通有源滤波电路，此电路由一级RC低通滤波电路和同相比例电路组成，它不仅有滤波功能，而且能起放大作用。
辅助电路及数据处理，设计采用ATmega16L单片机对数据进行处理。
ATmega16L单片机集成了8通道10位高精度的逐次逼近型A/D转换器，由测量电路所采集到的模拟电压信号可直接接入ATmega16L单片机模拟信号输入引脚（ADC的模拟信号输入引脚与PA口复用），即可实现模数转换。
ATmega16L单片机I/O口具有（吸入电流）10～20MA或40MA（单一输出）大电流，可直接驱动LED显示器。
另外，对于译码、驱动现实电路采用动态LED显示方式，并选用了共阴接法的四体连动型数码管TOF-3461AH，可直接显示四位数码。
ATmega16L单片机具有32个I/O接口，分别为PA、PB、PC和PD四组。
每个I/O口都可以独立地设置为输入或者输出。
设置成输入口时，可以由程序指定是三态还是接上电阻输入；设置成输出口时，灌电流可达40mA，能够直接驱动LED数码管显示，省去了驱动电路。
对于译码部分，采用硬件译码缺乏灵活性，所以本设计是以软件来代替硬件译码，这样就省去了译码电路。
现今我国主流使用的单片机是MCS-51系列单片机，MCS-51系列单片机包括8031、8051、8751三种单片机。
下面具体的对这三种单片机进行比较分析：
（1）8751具有EPROM，但价格昂贵，很适合开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合；
（2）8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难采用8051型芯片，
（3）8031片内没有ROM，需扩展ROM。
基于本课题的使用要求及系统设计适合性上，我们选用了使用很广的MCS-51系列单片机中的8051单片机。
本系统的电路设计方面主要需用8051一块，74LS373一块，6264一块，ICL7109一块，8155一块，ICL7109一块。
下面主要对重要芯片的引脚及功能进行介绍。
5结论
大学四年的学习，尤其是在通过近一学期的毕业课程设计，使我无论是在专业知识方面，还是实践画图方面都有了长足的进步，并系统的自己完成了一次装备设计。
在毕业设计的过程中，也遇到了诸多的实际性的问题，尤其是刚拿到课题的时候，都无从下手，深切感受到了对所学知识的茫然，然后是通过查询资料，翻阅课本等将四年所学系统的总结了起来。
具体的是大约两个月的时间吧，使我在专业所学方面得到了较大的提升，深切体会了四年所学，并成功应用在了毕业设计中
本系统中主要是包括机械运动部分和电路转换部分。
在论文中也分别对上述两部分作了详细的设计计算，尤其对系统中各个重要部分的设计计算基本能满足了课题的设计精度及设计功能的要求。
最后还是成功的完成了课题的设计，初步实现设计目的。
就各种资料和设计计算看来，利用电容传感器测量系统实现微距测量的方法是可取的，改变电容传感器夹板间的距离就可以测量不同范围的量。
总体来说，该测量系统还是实现了微距测量的智能化、实时性以及非接触测量的精确性。
为进一步提高整个测量系统的测量精度，在传感器的机械加工尺寸精度、楔形块定位等方面还需进行改进和提高，另外电路部分的小型化和模块化也需进一步完善。
由于自己专业知识的不精和范围所限，该系统依然会存在许多不足之处。
例如其自动化程度不高，人力的地方很多；机械装置过于简单；整体设计没有美观感；效率不高。
在此也衷心希望有志之士可以设计出高效率，低能耗的优秀检测系统，使我国的检测系统更加的向国际化迈进。
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