电容式加速度传感器

湖南科技大学课程设计课程设计名称：《传感器/测控电路》课程设计学生姓名：李振文学院：机电工程学院专业及班级：测控技术与仪器2班学号：0903030211指导教师：余以道杨书仪2012年6月湖南科技大学本科生课程设计（论文）i摘要随着科学技术的不断发展，自动化智能化一步一步走入人们生活中的每一个角落。然而自动化与智能化的实现无疑离不开传感器。在传感器这个大家族之中，电容式传感器又占有举足轻重的位置。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。本课程设计设计了一电容式测量加速度的传感器。利用滑块的惯性和弹簧的弹力带动介子的移动。介子的移动是电容的电容量发生变化，这个电容的变化转变为电流的变化。通过运算放大器的作用，把信号放大。再通过A/D转换把信号转变为数字量，最后显示在屏幕上。关键词：电容式加速度传感器；信号放大；变介电常数。ABSTRACTAlongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,automationintelligentstepbystepintopeopleofeverycorner.Howevertherealizationofautomationandintelligentundoubtedlycannotleavethesensor.Inthisbigfamilyofsensor,capacitivesensorandpivotalposition.Capacitorsensoristheadvantageofsimplestructure,lowpriceandhighsensitivity,zerohysteresis,vacuumcompatible,overloadability,gooddynamicresponsecharacteristicsofhightemperature,radiation,andstrongvibrationbadconditionssuchastheadaptability,etc.Defectisoutputisnonlinear,parasiticcapacitanceanddistributedcapacitancemeasuringaccuracyandsensitivitytothegreatinfluence,andconnectioncircuitismorecomplex,etc.Thecourseisdesignedtodesignacapacitivemeasurementofaccelerationsensor.Usethesliderinertiaandspringbouncedrivebothmove.Boththeelectriccapacityismovingcapacitancechange,thecapacitancechangeintocurrentchanges.Throughtheroleoftheoperationalamplifier,theamplification.ThenthroughtheA/DconversiontosignalintoAdigitalquantity,finallyshownonthescreen.Keywords:capacitiveaccelerometer;Amplification;Thedielectricconstantchange.湖南科技大学本科生课程设计（论文）ii目录摘要………………………………………………………………………………….………i目录………………………………………………………………………………………….ii第一章绪论…………………………………………………………………………………11.1课题研究的相关背景……………………………………………………………11.2选题的目的和意义………………………………………………………………..11.3课题研究的内容…………………………………………………………………..21.4国内外研究现状…………………………………………………………………..21.5传感器目前存在的主要问题……………………………………………………2第二章电容式加速度传感器的数学模型………………………………………………32.1传感器器的结构简图……………………………………………………………32.2传感器的等效原理图……………………………………………………………32.3差动电容计算及特性分析………………………………………………………4第三章测控电路设计……………………………………………………………………63.1本系统测控电路组成框图………………………………………………………63.2稳幅文式振荡器…………………………………………………………………63.3反向放大电路………………………………………………………………………73.4相敏检波器…………………………………………………………………………83.5低通有源滤波电路…………………………………………………………………9第四章电容式加速度传感器的技术要求………………………………………………114.1壳体固定要求………………………………………………………………………114.2滑块与壳体接触面的光滑度要求…………………………………………………114.3测控电路的要求……………………………………………………………………114.4单片机程序要求……………………………………………………………………11第五章传感器适用范围……………………………………………………………………125.1影响适用范围的因素……………………………………………………………125.2加设重力加速度传感器…………………………………………………………12第六章实验数据处理…………………………………………………………………136.1数据关系……………………………………………………………………………136.2与书本上面的测震动加速传感器对比……………………………………………13第七章总结与展望………………………………………………………………………147.1总结…………………………………………………………………………………147.2展望…………………………………………………………………………………14参考文献……………………………………………………………………………………15附录1…………………………………………………………………………………………16附录2…………………………………………………………………………………………17附录3…………………………………………………………………………………………18湖南科技大学本科生课程设计（论文）-1-第一章绪论1.1课题研究的相关背景传感器是一种应用非常广泛的设备，在各种自动控制过程中，它能迅速客观地反映出实际情况。电容式传感器有很多，但原理相同。平行板电容器的电容C跟介电常数ε成正比跟正对面积成反比根极板间的距离d成反比有：C=εS/4πkd式中k为静电力常量。通过改变介质，极板距离，极板正对面积，这三个参数之一使传感器的电容发生变化，再通过电荷放大器，将电容变化或电量变化转换成容易用电路处理电压或电流量。这就是电容式传感器的特点，通过上面的原理可以做成很多传感器，比如测长度的，测角度，测空气粉尘，空气湿度，还有声音，振动等，精度很高，比如测振动的精度可以达到零点零几个微米。但是测长度的线性度不好，需要通过电路矫正，还有容易受到电路中的寄生电容的影响，所以电路设计的时候要很注意。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（见图）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。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。测量物体相对于大地或惯性空间的运动，通常采用惯性式传感器。惯性式传感器种类很多，用途广泛。加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种，其中电容式加速度传感器具有测量精度高，输出稳定，温度漂移小等优点。而电容式加速度传感器实际上是变介电常数电容式位移传感器配接“聍忌一c”系统构成的。其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的。本课程设计利用惯性原理，加速的变化使滑块动作，从而带动介子移动。使电容的介电常数发生改变，通过测量这个介电常数的变化进一步反映加速的大小以及方向。1.2选题的目的和意义通过这次课程设计,掌握传感器的工作原理,了解简单多功能传感器组成原理，初步掌握多功能传感器的调整及测试方法，提高动手能力和排除故障的能力。同时通过本课题设计与装配、调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立传感器的理论湖南科技大学本科生课程设计（论文）-2-和实践的结合，了解多功能传感器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算各个单元电路。1.3课题研究的内容本系统采用模块化设计传感器，在实际生活中广泛应用。电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量的变化，实质上就是一个具有可变参数的电容器。利用滑块的移动量转变为介电常数的变化，从而导致电容值的变化。通过测控电路的放大、整流和A/D转换，然后利用单片机把加速的显示出来。1.4国内外研究现状传感器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种实际场合，但目前所使用的传感器有的电路较复杂不便于制作,可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块,而专用集成块的购买又很困难。为适应更多的实际生活需要而设计一个多功能传感器，这种传感器具有电路简单，元件普通,易于购买等优点,很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用。1.5传感器目前存在的主要问题随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，传感器作为一种工具，已广泛应用于各种实际生活中。但传感器器的使用频率校高，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一个单位若专购一个传感器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极多，往往因长期使用使（电子器件的）传感器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。但目前多数传感器存在2个不足之处：①输出具有非线性；②寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度。湖南科技大学本科生课程设计（论文）-3-第二章电容式加速度传感器的数学模型2.1传感器器的结构简图电容式加速度传感器的原理结构如图：由图可见，它实际上是变介子电容式位移传感器，配接“m-k—C”系统构成的。质量块由1根弹簧放置于壳体内，质量块的左边连接介子，通过质量块的动作带动介子的运动，从而改变了介电常数。（图2.1原理结构简图）2.2传感器的等效原理图电容式加速度传感器的等效原理图如图2.2所示。图2.2中，右侧标尺表示与大地保持相对静止的运动参考点，称为静基准，x表示被测物体及传感器底座相对于该参考点的位移，称为绝对位移，y表示质量块m相对于传感器底座的位移，称为相对位移。x和y之间关系可用典型二阶比常系