本科毕业设计-基于电容传感器的微小位移测试系统的设计(4)

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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。

?S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C??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

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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：

d??0.8?F ??P? 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d?0.8?1000 故可得d?5.6mm； 2?10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

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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。

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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

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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0.01 um 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）10～20 MA 或40 MA（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40 mA，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、

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