无缆集成式精密电容测微测振传感系统设计与开发

发布时间：2016-10-23 08:25

本文的研究目标是在深入了解电容式传感器测微测振原理的基础上,设计与开发无缆集成式精密电容测微测振传感系统,以实现对微位移、微振动的高精度测量。由于被测信号十分微弱,为了得到高精度的测里结果,本文分析了影响电容式测微测振传感系统测呈:精度的各种因素,并采取相应的措施进行消除。为了消除杂散电容,尽里使维长近于零,所以使用无维集成式手段和方法提高系统精度。在信号调理方面,本文中采用限幅正弦波振荡信号对被测信号进行调幅调制,己调信号经过电容/电压转换电路、放大电路、基于锁相环技术的相敏检波电路、滤波电路及调零电路后,得到与被测量相应的电压信号。为了实现仪器的智能化,加入了基于Cortex-M3的数据采集与通讯电路,从而实现与上位机的实时通讯、显示。从表中可看出,相比于机械法和光测法,电测法具有更高的性价比。目前,高精度的非接触式测微仪分为三种:电感式测微仪、电容式测微仪和光千涉式测微仪。这三类测微仪各有优缺点,适用于不同的测量场合。其中电容式传感器由于其精度高、重复性好、频率高、分辨率高、工作范围大、测量经度不受导体材质影响、信号极其稳定、可在恶劣环境下工作等优点而被广泛使用。根据相关资料介绍报道,电容测微仪的分辨率能达到几个纳米甚至几分之一纳米;进行微位移及傲小尺寸测量时,系统能达到十纳米左右;进行压力及压差测量时，，;此外还能用于膜厚度、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测量。

........

2电容测微测振原理与测量精度影响因素分析

2.1测微测振的原理和方法阐述

测微测振的各种方法中,应用最为广泛的就是电测法。电测法中,常用的测微测振传感器及其原理如表2-1所示。其中,应变式传感器的材料会随着时间和环境的变化发生改变,导致其性能的变化,因此无法长期使用;电动式传感器在测量时,易磨损,也无法做到长期测量;压阻式传感器,使用的材料是晶体,受温度的影响较大,且工艺较复杂、造价高;电病流式传感器虽然灵敏度、分辨率高,线性度、重复性好,但对于被测物的导磁性、尺寸大小等有一定的要求,且不适合快速动态的测星。相比于电感式传感器,电容式传感器具有输入能小、相对变化童大、温度稳定性好、机构简单、动态响应好等优点,更适合于微位移、微振动的测量。

2.2系统构成

任何两个导体之间都会构成电容的联系。电容式传感器除了两个极板之间的电容外,极板与其他物体也有可能产生电容的联系,包括仪器中的各种元件甚至人体之间均可能产生。由于测量时,传感器测量的电容值本身就很小,如果寄生电容很大,就会给测量带来极大的影响,另一方面,电容本身并不稳定,会导致仪器性能的不稳定。在进行微位移、微振动的测量时,平行板电容传感器测量时的容值十分微小,不足几个皮法,而电绳的电容相对很大,每米达几千至几百皮法,即使最低电容的电缆每米也有几个皮法,这足以淹没被测的电容,从而带来很大的测量误差,甚至导致仪器无法正常工作。另一方面,电缆电容常常是随机变化的,使仪器无法稳定工作。

3无维集成式电容测微测振系统硬件电路设计.........27

3.1硬件电路系统的组成.......27
3.225k Hz限幅正弦波振荡器设计.......27
3.3微电容测量与转换电路设计.......32
3.4集成式锁相环与乘法解调电路设计.......34
4系统软件编语与开发.......49
4.1软件系统总体设计.......49
4.2数字滤波算法.......50
4.3基于STM32的数据采集编程与开发.......54
5电路板性能测试与实验分析.......63
5.1电路板性能测试与实验.......63
5.2系统时漂实验及分析.......68
5.3微位移测量实验及分析.......69
5.4微振动测试实验及分析.......74

5电路板性能测试与实验分析

5.1电路板性能测试与实验

本章主要对电容传感系统的性能进行了测试。首先通过示波器观察了三块电路板的输入、输出波形,并根据多次试验的对比分析,最终确定各部分调节电路的参数。其次,对系统的性能进行测试,完成了相应的时漂试验、微位移实验、微振动实验,并对各个实验的测量数据进行分析、处理,一定程度上,评估了此次设计与开发的电容测微测振传感系统。

5.2系统时漂实验及分析

本文中的动态振动信号的通带为0-3kHz,经过乘法器后变为0-6kHz。根据香农采样定理,从理论上讲,数据采集频率应大于12kHz。但在实际应用中,为了最大限度地保留原信号的全部信息,采集频率应大于60kHz。本文中所选用的AD转换芯片AD1674的采样频率为lOOkHz.满足要求。也就是说本仪器能有效测量的振动源频率信号为0-3kHz,采用陷波器、低通滤波器和数据采集AD1674(100kHz)频率能有效保证所测信号结果的可信性。
......

6总结与展望

电容式传感系统,由于具有精度高、分辨率高、稳定性好、结构简单等诸多优点,现己广泛应用于各工业领域进行微位移、微振动的测星。本文主要的研究内容包括以下几个部分:(1)详细分析了影响电容式传感系统测量精度的各个因素,针对不同的因素给出了不同的解决方案;设计了无缆集成式电容测微测振系统的硬件电路,主要包括:25kHz限幅正弦波振荡器、微电容测量与转换电路、集成式锁相环与乘法解调电路、调零电路及基于Cortex-M3的数据采集与通讯电路,完成了相应原理图的设计和PCB的绘制;(3)完成了相应的软件编程与开发,主要包括:基于STM32F103的数据采集、数字滤波算法以及与上位机的通讯;(4)完成了相关的实验研究,对制作完成的三块电路板分别进行测试,分析每块电路板的输出波形;系统实验,对采样后得到的测量数据进行分析、处理,最终得到整个系统的性能参数。

......

参考文献（略）

本文编号：150161