一種電容式位移傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

盛奮華

摘 要： 介紹了一種電容式位移傳感器調(diào)理電路，分析了電容式傳感器調(diào)理電路中二極管不平衡環(huán)形電路的工作原理，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，采用端點(diǎn)直線法分析了電容式位移傳感器的非線性誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電容式位移傳感器非線性誤差很小，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出微小變化的位移。

關(guān)鍵詞： 電容式傳感器； 非線性誤差； 位移

中圖分類號(hào)： TP 212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2017）05-0088-03

0 引 言

電容傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能測(cè)量微小變化等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于位移、速度、加速度等機(jī)械量精密測(cè)量。在實(shí)現(xiàn)運(yùn)料車輛尋軌運(yùn)行至指定位置，進(jìn)行貨料稱重并完成卸載儲(chǔ)存的智能化倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，利用電容式位移傳感器實(shí)現(xiàn)位移檢測(cè)，保障小車能夠準(zhǔn)確?？?，其調(diào)理電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文對(duì)此進(jìn)行了研究。

1 智能倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)原理

智能化倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，結(jié)合應(yīng)變片傳感器、電容傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、H橋PWM輸出模塊、放大電路等，構(gòu)成運(yùn)料小車，其原理框圖如圖1所示。圖1中，應(yīng)變片傳感器完成稱重功能，電容傳感器檢測(cè)位移，確定小車?？课恢?。

2 電容傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在本電容傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)中采用差動(dòng)式電容傳感器，調(diào)理電路設(shè)計(jì)中采用二極管不平衡環(huán)形電路，差動(dòng)輸出的電容量在調(diào)理電路中分別是Cx1和Cx2，其調(diào)理電路如圖2所示。

電容式傳感器調(diào)理電路由與非門(mén)組成的多諧振蕩器、LM324構(gòu)成的放大電路以及二極管不平衡環(huán)形電路構(gòu)成。圖2中，U1A和U1B兩個(gè)與非門(mén)之間經(jīng)電容C1和C2耦合形成正反饋回路。合理選擇反饋電阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，這時(shí)，兩個(gè)反相器都工作在放大區(qū)。由于電路完全對(duì)稱，電容器的充放電時(shí)間常數(shù)相同， 可產(chǎn)生對(duì)稱的方波。改變R和C的值，可以改變輸出振蕩頻率。方波經(jīng)過(guò)LM324運(yùn)放放大后，送給二極管不平衡環(huán)形電路。二極管不平衡環(huán)形電路中的Cx1和Cx2為電容傳感器的兩個(gè)差動(dòng)輸出的電容量，位移變化時(shí)，電容量發(fā)生變化。電容量的變化使得輸出端電壓含有直流分量，直流分量經(jīng)過(guò)低通濾波后在輸出端得到不同極性的直流電壓。在系統(tǒng)中該直流電壓大小對(duì)應(yīng)位移的變化，從而實(shí)現(xiàn)位移的檢測(cè)。二極管不平衡環(huán)形電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中，Cx1和Cx2為差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)電容量，D4～D7為特性相同的4個(gè)二極管。與非門(mén)組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng)過(guò)放大后再經(jīng)C4，L1隔離直流和低頻干擾信號(hào)，在MO端的電壓uMO為正、負(fù)半周對(duì)稱的方波。在uMO正半周時(shí)，一路經(jīng)D4對(duì)Cx1充電，另一路經(jīng)D5對(duì)Cx2充電。在uMO負(fù)半周時(shí)，一路經(jīng)D6對(duì)Cx2充電，另一路經(jīng)D7對(duì)Cx1充電。若初始狀態(tài)下Cx1=Cx2時(shí)，C5兩端的電壓uC5是對(duì)稱的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是對(duì)稱的矩形波，沒(méi)有直流分量。當(dāng)Cx1≠Cx2時(shí)，C5兩端的uC5為正負(fù)半周不對(duì)稱的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量經(jīng)過(guò)L2和C6低通濾波后，在輸出端得到不同極性的直流電壓Uo。

3 電容式傳感器測(cè)位移實(shí)驗(yàn)

搭建電容式位移傳感器調(diào)理電路的測(cè)試平臺(tái)，隨著位移的變化電容傳感器電容量發(fā)生變化，從而調(diào)理電路輸出電壓UO發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到位移—輸出電壓的幾組數(shù)據(jù)，如表1所示；對(duì)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，結(jié)果如表2所示。

采用端點(diǎn)直線法，以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線，兩端誤差為零，中間大。取端點(diǎn)（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.則k=548，把k帶入到直線方程y1=a1+kx1，求出a1=-44.6，故端點(diǎn)直線方程為

y=-44.6+548x。 （1）

針對(duì)每一個(gè)位移，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)平均值與擬合直線計(jì)算值相比較，得出最大誤差如表3所示。

4 結(jié) 論

針對(duì)電容式位移傳感器設(shè)計(jì)的調(diào)理電路進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)搭建和數(shù)據(jù)分析，采用端點(diǎn)直線法進(jìn)行擬合計(jì)算出非線性誤差僅為±0.27%，非線性誤差很小，設(shè)計(jì)的調(diào)理電路在實(shí)際應(yīng)用中有很大的實(shí)用價(jià)值，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量微小變化的位移。

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