新型差动式多层环形电容测微仪设计

摘要

电容传感器是一种通过简单的机械结构设计便能实现低功耗、良好的动态性能以及非接触式测量等特点的传感器。目前主要广泛应用于地震灾害监测、航空航天及工业生产中对微小位移、液位、压力、重力等参数的测量。在实际测量应用中以变极距和变面积这两种类型的电容传感器最为常见，通过对现有的电容传感器拆解和理论公式分析也都证明了变极距型虽然有较高的测量精度，但不具备较大的量程，而变面积型虽然具有较大的量程但不具有较高的精度，为了获取高的测量精度和较大的量程，本文将研制一款具有高精度和大量程的变面积型电容位移传感器。
　　传统的电容检测电路中常含有较多的电容、电阻和二极管等电子元件，在一定程度上很难实现理想的线性输出，尤其是当检测精度达到纳米量级时，位移变化对应的电容量变化极其微小，而寄生电容多数在pF量级。要想在如此大的干扰下实现高精度测量，就必须增大极板的正对面积。但实际测量空间有限，一定程度上阻碍了电容传感器的应用和发展。本文通过理论分析和实验验证，研制的电容传感器测头在相同体积下，通过多层同心圆环和差动式结构，大大增加了电容极板的正对面积，有效提高了传感器的量程和测量精度，实现电容测头微型化。通过高精密集成电路芯片CAV444制作与之相配套的差分电容检测电路以及利用串口通信和编写的PC端软件，实现了压电陶瓷纳米位移输出和实验数据自动保存的功能。
　　经实验测量，所研制的电容测微仪在0.025～1.45mm的量程范围内灵敏度为0.0021V/μm，非线性误差小于1.15%。进行纳米位移测量时，在压电陶瓷约50μm的满行程输出下，本电容测微仪灵敏度为0.0572V/μm，非线性误差小于0.8%，迟滞误差小于1.5%，重复性误差小于0.68%。实验数据表明，所研制的新型差动式多层环形电容测微仪具有较强的抗干扰能力，能够在量程范围内进行高精度测量。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 电容传感器国内外研究现状

1.3 课题的研究内容和结构安排

1.4 论文的结构安排

第2章 电容测微仪测头设计

2.1 引言

2.2 电容传感器的工作原理

2.3 电容测微仪的测头制作和注意事项

2.4 变面积型电容测微仪测头设计

2.5 变面积型差动式多层环形电容测微仪测头设计

2.6 第二代变面积型差动式多层环形电容测微仪测头设计

2.7 本章小结

第3章 电容测微仪硬件电路设计

3.1 引言

3.2 系统总体设计

3.3 数据采集模块整体结构设计

3.4 数据处理模块设计

3.5 STM32基本模块电路设计

3.6 温度检测电路

3.7 串口通信电路设计

3.8 液晶显示模块设计

3.9 本章小结

第4章 电容测微仪软件设计

4.1 引言

4.2 软件开发环境介绍

4.3 μC/OS-II操作系统

4.4 数据采集模块程序设计

4.5 电容位移传感器PC端界面设计

4.6 压电陶瓷驱动电源PC端控制软件设计

4.7 本章小结

第5章 实验测试与性能分析

5.1 引言

5.2 实验夹具设计

5.3 电容传感器标定实验设计

5.4 线性度实验

5.5 迟滞分析

5.6 重复测量精度分析

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果