2011.05 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 23 Technology & Application 差动电容位移传感器的模拟研究 注:湖南省教育厅资助项目(项目编号:10:B005) 设计了一种差动电容位移传感器，模拟传感器的数学模型和电容检测电路。检测电路的设计主要包括正弦激励电路、转换桥路、信号放大电路、精密整流电路和滤波电路。检测电路的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 该软件模拟了设计的系统，并分析了传感器的性能。仿真研究表明，传感器及其检测电路具有合理性，在测量范围内具有良好的线性。 关键词：差动；电容；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 彭文中 一、引言 与其他类型的传感器相比，电容传感器有自己的优势，国内外普遍认为它是一种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的影响很大，尤其是电解质。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，大大降低了非线性误差，降低了静电引力对测量的影响，有效补偿了温度。 在此背景下，本研究充分借鉴了前人研究成果的基础[2-4]，系统地研究了电容检测电路 在对现有各种检测电路进行分析比较的基础上，设计和模拟一套适合精密电容测量的检测电路。 二、.差动电容传感器的工作原理和数学模型 采用三片式差动电容位移传感器设计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，表面光洁度必须很高，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，等位面平行于金属板。 定极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 —极板介质的相对介电系数； A—两极板间的相对面积； d—动极板与固定板之间的距离 移动极板位移时 0，即 d1=d2=d 时，有： d A CC r εε 0 21 == (2) 移动极片向一侧移动 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) 三、测试系统的整体构成 电容传感器的电容值一般很小，必须借助专业的测量电路将其转换为电压信号输出。由测试系统组成 如图 1 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，电桥将失去平衡并输出 传感器世界 2011.05 www.sensorworld.com.cn 24 通过放大、整流和滤波电路提取直流分量的电压信号，直流分量与差动电容动片位移成正比。 1.正弦激励电路 正弦激励电路选用由集成运放和 RC 串并联网形成的文氏桥振荡电路具有经济简单、体积小、功耗低的特点[5]。 1.正弦激励电路 正弦激励电路选择集成运输和 RC 串并联网形成的文氏桥振荡电路具有经济简单、体积小、功耗低的特点[5]。本正弦振荡电路的谐振频率 f=10kHz，电路原理图等其他参数设置 2 所示。 二、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、桥路线性等优点，如图所示 3 所示。C1、C2 电容式传感器的电容。当负载阻抗无限时， 12 12 0 2 ZZ ZZU U ? = (4) 以 1 1 1 Cj Z ? =