2011.05 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 23 Technology & Application 差动电容位移传感器模拟研究 注:湖南省教育厅资助项目(项目编号:10B005） 摘要：设计了一种差动电容位移传感器，主要模拟传感器的数学模型和电容检测电路。检测电路设计主要包括正弦激励电路、转换桥、信号放大电路、精密整流电路和滤波电路。Matlab/Simulink 软件模拟了设计的系统，并分析了传感器的性能。模拟研究表明，传感器及其检测电路具有合理性，并且在测量范围内具有良好的线性度。关键词：差动；电容器；位移传感器 中图分类号： TP212.1 文献标识码：A 文章编号:1006-883X(2011)05-0023-04 彭文忠 1.引言 电容传感器与其他类型的传感器相比有自己的优势，国内外普遍认为是未来发展前景广阔的传感器[1]。但由于电容传感器范围小，输出阻抗高，寄生电容器，抗干扰能力差，测量值受介质和电磁场影响很大，特别是电解质的影响往往限制了其应用范围。与电容式传感器相比，差动电容式传感器的灵敏度提高了一倍，非线性误差大大降低，静电引力对测量的影响降低，温度补偿得到有效补偿。在此背景下，本研究充分借鉴了前人研究成果的基础[2-4]，系统地研究了电容式检测电路。在 对现有各种检测电路进行分析和比较的基础上，设计和模拟了一套适合精密电容测量的检测电路。.差动电容传感器的工作原理及其数学模型 差动电容位移传感器的设计采用三片差动电容位移传感器，由三块金属板组成，中间为活动板，两侧为固定板。校装时应严格平行，表面光洁度必须高，化学性能必须稳定。由于金属板面积大，电容板间距小，边缘效应的影响可以忽略不计。因此，金属板之间的电场可视为均匀，电场方向垂直于金属板，等位面与金属板平行。固定板与动极板之间的电容为： i r i d A C εε 0= ，i=1、2 (1) 其中，0 ε -真空中介电常数； r ε —极板间介质的相对介电系数； A—两极板之间的相对面积； d—当动极板位移为 0时，动极板与固定板的距离 d1=d2=d 时，有： d A CC r εε 0 21 == (2) 当动极片向一侧移动dΔ 当电容器相应变化为： dd A C r Δ? = εε 0 1 dd A C r Δ = εε 0 2 (3) 3。测试系统的整体组成 电容传感器的电容值一般很小，因此必须通过专业测量电路将其转换为电压信号输出。如图 1 所示，正弦激励信号作用于转换电桥。当差动电容器中间的动片位移时，电桥将失去平衡，输出 传感器世界 2011.05 www.sensorworld.com.cn 24 电压信号通过放大、整流和滤波电路提取直流分量，直流分量与差动电容器位移成正比。1.正弦激励电路 正弦激励电路由集成运输和 选择RC 文氏桥并联网形成的振荡电路，该电路具有经济简单、体积小、功耗低的特点[5]。本正弦振荡电路的谐振频率 f=10kHz，其他参数设置如电路原理图 2 所示。2.转换电桥电路 变压器电桥转换电路具有元件少、输出阻抗小、桥路开通时线性等优点。电路模拟原理图如图 3 所示。C1、C2 是电容传感器的电容。当负载阻抗无限时，电桥的输出电压为： 12 12 0 2 ZZ ZZU U ? = Cj Z ? =