电容式微位移传感器检测电路的设计

电容式微位移传感器 检测电路的设计

电容式微位移传感器检测电路的设计

孙立宁,晏祖根,陈立国

(哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001)

DesignofTransformCircuitforDisplacementCapacitanceSensor

SUNLining,YANZugen,CHENLiguo(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

　　摘要:设计了一种改进的电容运算放大器检测电路,该电路主要包括正弦激励源电路、电容检测电路、精密全波整流电路和增益滤波电路。实验证明,采用该电路的传感器,非线性误差小于0.1%,分辨率优于0.1μm。

关键词:电容;传感器;微位移测量;检测电路中图分类号:TP212文献标识码:A

文章编号:10012257(2005)01003303Abstract:Novelcapacitanceopera2tionalamplifier.resultsshowthatlin2earityof0.1%andresolutionof0.1μmcanbeachieved.

Keywords:capacitance;sensor;displacementmeasurement;detectingcircuit

科学研究中得到广泛应用[1]。自制电容位移传感器采用测量极板等位环技术,克服了电容边缘效应。采用驱动屏蔽电缆技术,降低等效杂散电容,从而传感器的性能主要决定于检测电路的性能。电容的常用检测方法有谐振法、振荡法、开关电容法、AC电桥法和运算放大器检测法等,各种检测方法各有优缺点。,

电容式位移传感器的运算放大器检测法原理如图1所示[2]。电容传感器的测头和被测物体构成传

0　引言

电容式位移传感器具有非接触测量、结构简单、

精度高、动态特性好和频带宽等优点,在工业生产和

收稿日期:20041115

图1　电容运算放大器检测原理

感器电容Cx的2个极板,Cref为参考电容。等效杂散电容Cs分布在传感器电容的两端,电容传感器采

用等位环技术和驱动电缆技术,Cs降低到较小。运算放大器A的输入阻抗很高,增益很大,由于运算

[J].轻金属,1998,(3):60-63.

[7]　李现勇.VisualC++串口通信技术与工程实践[M].

参考文献:

[1]　周雪琴.计算机控制系统[M].西安:西北工业大学出

版社,1998.

[2]　杨　伟,等.OMRON可编程控制器控制方案研究[J].

北京:人民邮电出版社,2002.

[8]　LeinecherRichardC,ArcherTom1VisualC++6宝典

[M].张　艳,等,译.北京:电子工业出版社,1999.

微计算机信息,2001,17(1):9-10.

[3]　刘一凡.OMRON可编程控制器与计算机的通信[J].

机床与液压,2003,(4):256-258.

[4]　OMRON公司.CQM1H操作手册[Z].1999.[5]　OMRON公司.CQM1H编程手册[Z].1999.

[6]　贺　红.OMRON可编程控制器与上位机的通讯技术

作者简介:宋保民　(1979-)男,陕西吴堡人,西北工业大学

自动化学院硕士研究生,研究方向为计算机智能控制;张泾周　

(1960-)男,陕西泾阳人,西北工业大学自动化学院副教授,研究方

向为计算机智能控制、网络信息安全。

1机械与电子22005(1)

33

电容式微位移传感器 检测电路的设计

放大器A的反向输入端虚地,杂散电容Cs两端相当于接地,对电路影响很小。Uin为激励源电压,由电路原理,有:

Uout=-Uin

=-Uindx

εCxS

(1)

可知,输出电压Uout与动极板的位移dx成线

性关系,从原理上解决了变间隙式电容式位移传感器输出特性的非线性问题。

2　改进型的运算放大器检测法

式(1)是在假设运算放大器开环增益和阻抗无穷大时得出,实际运算放大器不满足该条件,该方法存在一定的非线性误差。当增益和输入阻抗足够大时,这种误差相当小。因此,设计一种改进型的运算放大器检测方法,大大提高放大倍数,增大输入阻抗,

使电路具有更高的分辨率和更小的非线性误差。

改进型电路框图如图2所示。正弦激励源信号

图3　正弦激励源电路

图2　电容检测系统框图

施加于传感器,通过电容检测电路,将正比于极板间距变化的电压输出,通过精密全波整流电路、增益滤波电路,取出变化电压的直流分量,该直流分量正比于电容传感器极板间距。电路主要包括正弦激励源电路、电容检测电路、精密全波整流电路和增益滤波电路4大部分。2.1　正弦激励源电路

式(1)表明,传感器精度要求激励源必须非常稳定,不能随负载和温度变化。因此,采用有源晶振提供频率稳定的激励信号,设计电压反馈稳幅环节保持激励信号的幅值稳定,100kHz正弦激励,以降低电极阻抗,提高检测电路频响和提高精度。激励源电路如图3所示。晶振X1输出100kHz方波信号,分解

成傅立叶级数为:

ωt)=f(

波器、R2和R3构成的选频放大电路选频,其电路的

传递函数为:

U2=-U1

ω)((3)222

R2C)R2(2R+3-ωRC取=1/(3/R2)U1,选取合适C,100kHz的正弦Q1选用N沟道结型场效应管BF245A,工作在可变电阻区。Q1相当于受栅源电压控制的可变电阻,调节电压反馈电路的反馈系数,稳定正弦激励源信号幅值。A2选取高速、低能耗的AD817。2.2　电容检测电路

电容检测电路由OPA627和AD817及相应的滤波器组成,其电路如图4所示。

图4　电容检测电路

Cx为电容传感器电容,Cref为参考电容,大阻值

π

sin(5ωt)+5

(t)+sinω

sin(3ωt)+3

(2)

方波信号中含有丰富高次谐波,方波信号通过R1,C1组成的低通滤波器,300kHz以上的高次谐波大大被削弱,再通过由运算放大器A1、双T型滤

34

电阻R1与C1并联,控制运算放大器A1输入直流

偏置。A1,C1,Cref和R1构成高通滤波器,滤除低频干扰。双T型滤波器的陷波频率选为100kHz,运算放大器A2对于100kHz的激励信号相当于开环。运算放大器A1,A2和高通滤波器的串联电路,对激励源信号,其放大倍数为A1的闭环放大倍数与A2的开环放大倍数之积,其输入阻抗为A1的输入阻抗。杂散电容相当于接在A1的反向输入端与地之间,通过A1的虚地作用,杂散电容对电路的影响可以

1机械与电子22005(1)

电容式微位移传感器 检测电路的设计

忽略。电路传递函数为:

ωCU/jCC=-=-=-dx

ωCrefεUin1/jCxS

(4)

器A2,电容C2和电阻R2构成缓冲器,最终信号缓

冲输出,输出信号正比于电容传感器位移变化。

Uin为激励源电压,dx为电容传感器极板间的

3　实验分析

利用宏微工作台对电容式位移传感器进行测试,测试示意图如图7所示。宏动工作台光栅尺反

位移。为降低整个电路的噪声影响,A1选取高速、低

噪音和低偏置电流的OPA627,A2选取高速、低能耗的AD817。2.3　精密全波整流电路

精密全波整流电路如图5所示[3],

输入为电容

图7　测试示意图

图5　精密全波整流电路

检测电路输出的正弦信号。对于正极性信号,D2正

向偏置,A1输出-(R2/R1)Uin,2R3R4的信号并输出(5)in

R4R3R1

选取R1R2,R4=R3,A2输出Uout=(R5/R4)Uin。对于负极性信号,D2截止,D1构成负反馈,

Uout=-

A1的输出为零,无信号通过R3,A2的输出Uout=-

(R5/R4)Uin;从而A2输出精密全波整流信号。

馈,运动分辨率0.5μmPZT驱动,应

,0.01μm,全行程50m。

。宏动工作台以0.5μm步长,采集传感器输出电压,实验结果表明,传感器在工作行程00.5mm内,非线性误差小于0.1%。

b.分辨率实验。宏动工作台驱动微动工作台至测试点处,宏动工作台停止,微动工作台以0.05μm步长进行步进运动,采集传感器输出 …… 此处隐藏：2540字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……