电容式微位移测量仪的设计.doc

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哈尔滨理工大学学士学位论文

电容式微位移测量仪的设计

摘要

在工业计量中有很多需要检测的参数与位移量的变化有关，如力、流量、温度、速度、振动、密度、粘度等。

所以位移的测量在工业甚至其他一些领域显得尤为重要，而电容测微仪作为一种非接触式的，能够精确测量微小相对位移、微振动和微小尺寸的仪器，具有温度稳定性好、测量范围大、测量精度高、动态响应好、结构简单等一系列优点，它的相对变化量大，能在特殊环境下工作，如在强光照射下、在核辐射条件、过载冲击震动环境等。

所以在航空、航天、工业生产加工、超精密测量等领域中具有广泛应用。

本文对电容测微仪的工作原理做了系统地、详尽地论述，并在此基础上，设计了以运算放大检测法为基础的测量电路，完成了硬件系统总体结构的研制，系统各个结构部分电路图设计及过程介绍。

随后将通过传感器由位移量转化而成的电容量输出并转化成电压量；然后选用MAX1166作为将模拟量转换为数字量的A/D转换器，最后采用单片机C8051F020对测量系统进行单片机软件控制，实现了数据的采集和滤波、键盘参数设置、数据显示等。

最后完成本次设计。

关键词　电容传感器；微位移测量；运算放大器检测

ThedesignofCapacitivemicro-displacementmeasurementinstrument

Abstract

Therearemanyintheindustrialmeasurementandtheneedtodetecttheparametersrelatedtochangesintheamountofdisplacement,suchaspower,flow,temperature,speed,vibration,density,viscosity.Sothemeasurementofdisplacementandsomeotherindustrialareasisparticularlyimportant,whichcapacitancemicrometerasanon-contactprecisionmeasurementofsmallrelativedisplacement.Andthesmallsizeofmicro-vibrationapparatus,withtemperaturestability,widemeasurementrange,highaccuracy,gooddynamicresponse,simplestructureandaseriesofadvantages,itistherelativechangeinvolume,canbeusedinspecialcircumstances,suchasinaviation,inbrightlight,theradiationconditions,overloadshockandvibrationenvironment.

Inthispaper,capacitancemicrometerworksanditskeytechnologytodoasystematicanddetailedexposition.Onthisbasis,thedesignoftheoperationalamplifierdetectionmethodbasedonmeasuringcircuit,thecompletionofthehardwaresystemsarchitecturedevelopment,systemcircuitdesignofvariousstructuralelementsandoperatingprincipleandprocessintroduction.Thentransformedbythedisplacementsensormadebythecapacitanceintoavoltageoutputandcapacity;thenuseMAX1166astheanalogtodigitalconversionoftheADconverter.Finally,weusesingle-chipmicrocontrollerC8051F020measurementsystemsoftwarecontroltoachievethedatacollectionandfiltering,keyboardparametersetting,datadisplay.Finally,completethisdesign.

KeywordsCapacitancesensor;Micro-displacementmeasurement;Operationalamplifierexamines

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-II-

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题研究的背景目的与意义 1

1.2国内外研究现状及发展 1

1.3课题研究的主要内容 4

1.4文章结构 4

第2章电容式测微仪的测量原理 5

2.1基本测量原理 5

2.1.1平行板电容传感器 5

2.1.2电容式位移传感器 6

2.1.3传感器等效电路 8

2.2电容测微的实现 8

2.3本章小结 10

第3章硬件系统设计 11

3.1硬件总体设计 11

3.2信号转换电路 11

3.2.1标准参比电容 13

3.2.2稳幅正弦波激励源电路的设计 13

3.2.3主放大器的设计 14

3.2.4整流滤波部分电路的设计 15

3.3A/D转换器及其应用 17

3.4单片机设计 20

3.4.1单片机的选择 21

3.4.2C8051F020总体介绍 21

3.4.3C8051F020功能与资源介绍 21

3.4.4C8051F020的特点 22

3.4.5稳压电源的设计 23

3.5本章小结 24

第4章软件系统设计 25

4.1主程序设计 25

4.2初始化和自检 27

4.3数据采集和滤波 27

4.4键盘和显示 29

4.5本章小结 29

结论 30

致谢 31

参考文献 32

附录A 33

附录B英文原文 34

附录C中文翻译 57

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-IV-

第1章绪论

1.1课题研究的背景目的与意义

随着科学技术的发展，工业生产需要人们对微位移测量的精度和定位的精度提出更高的要求。

在众多的测量仪器当中，非接触式测量仪器由于其自身的优点，成为微位移测量领域的主流研究方向之一。

而电容测微技术作为非接触式测量微位移的重要手段，具有温度稳定性好、测量范围大、测量精度高、动态响应好、结构简单、稳定可靠、使用方便，并可实现无接触式测量等一系列优点，特别适宜动态、在线检测，并能在特殊环境下工作特别是随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使电容传感器扬长避短，使电容传感器成为一种很有发展前途的传感器，近年来得到了大范围的研究和推广，广泛应用于航天航空技术、精密机械加工以及其他工业测控领域中，主要用来测量各种介质的薄膜厚度、金属微变、微小相对位移、微小孔径及各种截面的形状误差等。

尤其能在强光照射、核辐射条件、过载冲击震动等恶劣环境下工作[1]。

该测量仪器对工业计量中的很多被测参数都可以进行测量。

在冶金工业中，可以对金属制板厚度进行了测量；机械加工行业中，轴系晃动量的测量、机械零部件的表面粗糙度测量、孔径测量、圆柱度测量、不圆度测量、三座标测量机检测上应用；农业用塑料薄膜厚度检测、轴向柱塞泵体油膜厚度测量；国防工业用气体动压轴承测量、气浮陀螺测量；石油工业中石油密度测量；化学工业中镀层厚度测量。

另外还有环境介质检测、电机转速测量、钢管直径测量、光盘平面度检测、磁盘动平衡测量、金属线膨胀系数测量等。

针对不同的工业计量中的检测参数，经变换和不断的改进更新达到实现测量和控制操作的目的[2]。

电容测微技术有着广泛的应用前景，发展更高精度、高分辨力和稳定性的电容位移传感器有着现实意义。

1.2国内外研究现状及发展

作为电容测微技术的关键，电容传感器是将被测非电量的变化变换成电容量变化的一种传感器，它与常规的光电传感器、电阻式、电感式传感器相比有如下优点：

1．输入能量极低，需要非常小的输入。

由于带电极板间静电引力很小，约到10-5N量级，因此它特别适用于解决输入能量低的测量问题，如微小位移和微小压力变化的精密测量。

2．可以获得较大的相对变化量。

如对金属应变传感器来说，由于应变极限的限制，一般低于1%，数值很小。

而对于电容式传感器，电容相对变化量只受到线性和其他实际条件的限制，若采用高线性电路时，其可达到100%或更大，这就可大大提高传感器的输出信号。

3．温度稳定性好。

电容传感器的电容值一般与电极材料无关，取决于几何尺寸，只从强度、温度系数、抗蠕变能力等机械特性考虑，有利于选择温度系数低的材料，因其本身发热极小，影响稳定性甚微。

4．结构简单，适应性强。

电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做的非常小巧，以实现某些特殊的测量，能在特殊条件下工作。

电容式传感器一般用金属作为电极，以无机材料交玻璃、石英、陶瓷等作为绝缘支撑，基本上不需要使用有机材料或磁性材料，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化和各种形式的强辐射，并能承受系统中高压力以及很高的冲击和过载，特别适用于高压和超低压差测量，也可对带磁工件进行测量。

5．动态响应好。

电容传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分质量可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，可以在数兆（0~4MHz）载频下工作，动态响应时间短，特别适应于动态测量。

又由于其介质损耗小可以用较高的频率供电，因此系统工作频率高。

它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。

6．电容式传感器内外摩擦误差很小，大多数其他传感器由于机械部分或磁路部分原因，都存在些内部摩擦力，这类误差很难消除。

而电容传感器尤其作为位移测量时是非接触的，不损伤被测表面，且具有平均效应，可以减小由于传感器极板加工过程中局部误差较大而对整体测量精度的影响。

电容式传感器也存在一些如下问题：

1．输出阻抗高，负载能力差。

电容传感器的容量由于受到其电极的几何尺寸等限制，易受外部干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施。

2．寄生电容影响大。

电容传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及电容传感器内极板与周围导体构成的电容等寄生电容却较大，这不仅仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容常常是随机变化的，使仪器工作很不稳定，影响测量精度因此，电容传感器对电缆的选择、安装、接法等都有要求。

3．非线性的输出特性。

引起非线性主要原因是测量方法上存在非线性，如改变极板间距离的电容传感器，电容量的变化与极板间距是非线性关系，即使用差动式结构可以改善特性的线性度，但由于漏电容影响，也不能完全消除其非线性。

基于以上特点，电容式传感器利用改变电容极板间距或改变极板面积来实现对微小位移、压力，微振动等参数的测量，也可以用改变介质的介电常数方法来检测料位和板材厚度等。

随着科学技术和工业技术的不断发展，电容传感器所存在的问题也不断获得解决，使其稳定性和精度不断提高，应用范围不断扩大，尤其表现在动态测量、低压测量和一些特殊测量等方面[4]。

早在1910年就已经开始用电容器原理来进行微位移的测量[3]。

但是在很长的一段时间内电容式并没有被推广，主要由于在连接电路上分布电容的存在，同时电子电路也比较复杂。

近年来，由于高精度位移测量和非接触表面测量的必要性日益增长，推动了位移与应变测量技术的研究。

伴随着电子学和集成工艺的迅速发展，特别是驱动电缆技术的出现，使得电容位移传感器存在分布电容大及非线性等缺点不断得到克服，其优点被突出地显露出来，使其有了更为广阔的应用领域，特别是一些高精度、高稳定性测微场合中得到了广泛应用。

目前，作为电容式测微仪的核心，发展的较为成熟、应用较为广泛的转换电路形式有调频式、运算放大式、脉冲调宽式和AC桥路法等；按结构形式分类，电容位移传感器可以分为，变极距型、变面积型和变介质常数型等。

变面积型电容传感器可以测量较大的位移，量程为零点几毫米至几毫米之间，线性度优于0.5%，分辨力为0.01~0.001mm。

变极距型电容传感器主要适用于较小位移的测量量程在0.01mm至几百微米，精度可达到0.01mm以内，分辨力可以达到0.001mm以内。

其中最基本的是平面变极距型，主要用于精密测量、精密定位等。

电容测微仪可以测量一般的长度，也可测量振动、压力、介质的温度等多种参数。

它既可以进行静态测量，也可以进行动态测量；据目前相关材料看，电容测微仪的分辨力可以达到1nm~0.1nm，用于测量微位移及微小尺寸的系统精度能达到10nm左右，测量压力及压差的系统精度达到帕级，此外测量振动、薄膜厚度及液位的仪器均得到成功的应用，特别是近年来出现的成功应用电容测微仪技术测量盲小孔和微孔直径。

现在电容测微仪的主要生产厂家有天津大学精仪学院，英国QueensgateInstrument公司，美国WanyeKerr公司等[4][11]。

国外对其研究较早，技术也较国内成熟。

尤其是在欧美国家已将高精度的电容位移传感器产品化。

其中，美国Micro-Trak公司生产的AS-5000电容传感器在量程为0.254mm时，分辨力可以达到0.0016mm，线性度为0.1%；德国PI公司生产的D-100型电容位移传感器在分辨力上能达到0.01nm；Morgan等人利用差动电容原理设计的微位移测量仪，在2.5mm的量程上，测量精度优于0.01mm[4]。

在国内方面，各大研究机构、测量仪器公司以及高校也纷纷投入大量的资金和人力致力于高精度微位移测量仪器的研究。

我国于70年代初期开始这方面的研究[5]，在现代化建设的过程中发现测微技术越来越成为科学技术发展的制约因素，所以“863规划”和“十一五计划”都把测微技术和微加工技术列为重点的科技攻关项目。

并于1976年由天津大学研制成功了首台电容位移传感器。

目前天津大学精仪学院及北京密云机床研究所两家有电容位移传感器的成型产品。

其中，天津大学应用运算放大器法研制并生产的JDC系列电容测微仪[6]，已逐渐形成了系列化和产品化。

JDC电容测微仪，在0.1mm量程范围内的分辨力可以达到0.01mm，线性度为0.5%；北京密云机床研究所应用调频法研制的DWS型电容位移传感器，实现了在3mm的测量范围内，分辨力2nm，非线性度小于1%[7]。

1.3课题研究的主要内容

在电容微位移测量中，电容位移传感器对微位移的测量越精确、响应速度越快、非线性越小，整体性能就越好。

首先由传感器感受微位移的变化，并将其转换成电容量的变化，然后经过信号转换电路将电容量的变化转换成可测的电压信号，然后利用A/D转换器实现信号的采集，由单片机进行信号的处理和传输。

最终实时显示，并进行线性拟合给出相关数据。

本文以电容式微位移传感器为基础，利用运算放大器测量电路原理，当恒定频率的正弦激励电流通过传感器电容时，传感器上产生的电压幅值与电容极板间隙成比例关系。

主放大器具有高输入阻抗，保证足够大的开环增益以实现高精度运算，其输出为一调幅波，幅值的变化与被测位移变化一一对应。

通过全波整流电路、增益滤波电路对放大的被测信号进行解调，最后进入A/D转换进行数据处理，在单片机的控制下完成数据的显示等过程，提高了输出信号的抗干扰性。

1.4文章结构

本文的结构如下：

第1章，介绍课题研究的背景目的与意义及其国内外的研究现状和发展前景，概括了课题研究的主要内容。

第2章，介绍电容式测微仪的测量原理，包括电容位移传感器信号转换电路：

电桥电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路和调频电路。

第3章，硬件系统总体结构的研制，系统各个结构部分电路图设计及工作原理及过程介绍，包括选择信号转换电路，稳幅正弦波激励源电路、主放大器、整流滤波部分电路的设计。

介绍了所选用的MAX1166及C8051F020的特点及应用。

第4章，软件系统总体结构的设计，各个重点子程序的流程图及其功能介绍，包括主程序、系统的初始化及自检、数据采集和滤波、键盘及显示等重要部分程序流程图的设计。

第2章电容式测微仪的测量原理

2.1基本测量原理

电容传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器，由上一章可知，它有独特的优点，结构简单、高分辨力、可非接触测量、并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。

非接触式电容传感器的种类非常多，以传感器结构形式分为平面型、球面型和圆柱型，又以平面型最为简单。

以传感器参数变化形式分为变间隙型、变面积型和变介电常数型，其中变间隙型传感器最为简单。

一般的说，最基本最典型的类型为平面变间隙式电容传感器，它的应用最多。

2.1.1平行板电容传感器

图2-1是以空气为介质，两个平行的平面金属板构成的平行板电容。

当不考虑边缘电场影响时，其电容量为：

（2-1）

式（2-1）中，为电容极板间介质的介电常数，其中。

为真空介电常数（=），为极板间介质的相对介电常数，A为两极板所覆盖的面积，h为两平行极板之间的距离。

图2-1平行板电容

如果将上极板1固定，下极板2与被测物体相连，当被测运动物体做上、下位移（即h变化）或左、右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路可将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出，根据输出信号的大小，可测定运动物体位移的大小，这样实现了微位移、微小尺寸及振动的测量如果两极板固定不动，极板间的介质参数发生变化，也会引起电容量的变化，利用这一点，可用来测定介质的各种状态参数，如介质的湿度、密度、厚度等。

可知，若被测物理量的变化使式中、A和h三个参量中任一参数发生改变并引起电容量的变化，通过测量电路，可以根据输出信号的大小，来测定被测物理量。

传感器也由此衍生出变极距型、变面积型和变介电常数型等多种变化形式。

2.1.2电容式位移传感器

电容式传感器根据工作原理不同，可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。

这里我们用的是变极距型电容位移传感器。

变极距型平板电容位移传感器应用较为广泛，主要用于测量微小位移变化，其原理图如图2-1所示。

其中1为固定极板，2为可动极板，当动片2因被测量变化引起移动时，就改变了两极板间的距离h，从而改变了电容量。

设初始极距为，极板面积为A，则电容初始值为：

（2-2）

由式（2-2）可知，极板间电容C与极板间距离乃是成反比的双曲线关系，见图2-2。

图2-2板间电容与极板间距的曲线关系

当动极板2因被测量变化而向上移动时，使减小时，则电容C变为：

（2-3）

电容相对变化量：

（2-4）

由式（2-4）知，C与不是线性关系，即传感器输出特性是非线性的，如图2-3所示。

图2-3传感器输出特性

由于这种传感器的非线性，所以在工作时，一般动极片不能在整个间隙范围内变化，而是限制于一个较小的范围内，以使与的关系近似于线性。

但是，若远小于1（一般为）时，上式按级数展开成：

（2-5）

略去高次（非线性）项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为：

（2-6）

（2-7）

如果考虑式中的线性项及二次项，则：

（2-8）

式（2-6）的特性如图2-3中的直线1，而式（2-8）的特性如曲线2。

电容式位移传感器是一种以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器。

作为一种非接触式精密测量仪器，电容微位移传感器测量范围大、结构简单、稳定可靠、使用方便。

由于这种电容传感器的电极所产生的电场呈散射状[6]，运用传统的电磁场理论很难得到精确的解析解，给传感器的设计及性能优化带来很大困难。

不同的复杂电极参数也会对传感器特性有不同的影响。

具体结论如下：

1．随着电极间隙的增加，传感器量程增大但其灵敏度减小。

2．同一间隙下，双叉指型电极传感器的量程和灵敏度指标都比早字型传感器高。

3．对于6种不同参数的传感器，其灵敏场分布不均匀，都呈分段线性的关系，被测物距离越近，传感器灵敏度越高。

2.1.3传感器等效电路

节2.1.2对变极距型平板电容传感器的特性所进行的分析，是在纯电容的条件下进行的，这在可忽略传感器附加损耗的情况下是可行的。

若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励条件下工作，而不能忽略其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图2-4所示。

图2-4等效电路

图2-4中C是传感器电容，是低频损耗并联电阻，它包括电极间直流电阻和电极带电时绝缘体及气隙中介质损耗。

串联电感L表示传感器接线端之间传输回路总电感，如用电缆与传感器相连，则五包括了电缆的电感。

串联电阻表示引线电阻，金属接线电阻及电容器极板的电阻由图2-4可知等效阻抗为：

（2-9）

式中是回路激励电源角频率。

由于传感器并联电阻很大，即远大于1，上式可简化为：

（2-10）

由此可得到其等效电容：

（2-11）

2.2电容测微的实现

目前，技术比较成熟、应用比较广泛的电容位移传感器信号转换电路主要有：

电桥电路、差动脉冲调宽电路、运算放大器式电路和调频电路。

1．电桥电路

在工作频率较低的情况下，最常采用的是电桥电路即AC桥路法实现电容变化的精确测量。

采用AC桥路测量技术，通过选用精密的电子元件，可以测量到小于的电容变化值。

AC桥路的优点是选用器件少，电路简单，易于小型化。

缺点是远离平衡位置时非线性较大；输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压很低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路；电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施。

AC桥路广泛应用于各种精密测量仪器当中。

英国Queensgate仪器有限公司应用此种方法研制出纳米级的电容传感器，并与压电装置结合制造出纳米级定位精度的多轴定位控制器。

以其NXB系列电容传感器为例，初始间隙为100mm，初始电容为l0pF，测头直径为12mm，分辨力优于0.1nm，非线性度不超过0.01%。

此种传感器为双电极测头，实现电容极板双端浮地，其电极面积大，不适合进行形位测量，只适合微小位移测量和做监控用[11]。

2．差动脉冲调宽电路

差动脉冲调宽电路适用于差动式电容传感器，具有理论上的线性特性。

电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等，对元件无线性要求，经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。

但是测量精度低，在高精度测量中基本很少采用。

3．运算放大