无线单片式微位移电容传感器的研究

摘要

电容位移传感器属于非接触方式的测量装置，比普通位移测量仪器具备更简单的结构，更高的分辨率和灵敏度。现有的微位移电容传感器，由于其电容值较小，不易被准确检测，且传统有线测量方式也限制了其使用范围。为了解决上述问题并进一步提高微位移电容传感器的实用性，研制了一款无线单片式微位移电容传感器。
　　 本文介绍了常见的位移传感器种类、特点和适用范围，分析电容式位移传感器探头的基本原理，选取性能较高的单片式双叉指电极作为微位移电容传感器的探头。为了能够准确测量微位移电容传感器探头的电容值，比较现有的电容检测方法，确定了以AD7745电容检测芯片为核心的电容测量电路。
　　 利用ZIGBEE芯片内嵌8051核，同时含有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器，且可靠性高、价格便宜等特点，开发无线数据传输系统，完成电容位移传感器探头电容采集、发送和接收。
　　 使用VC++的MFC工具开发上位机软件。该上位机软件通过串口接收电容数据，完成数据处理，绘制一维坐标系统，指示金属被测物的当前位移。
　　 搭建实验平台，采集了金属板与传感器探头25mm距离范围内传感器的电容值。分析了传感器在这25mm范围内的灵敏度分布。为了标定位移测量系统，对其中灵敏度较高的6mm位移-电容数据段进行线性化处理。当采用不分段的方式处理数据时，数据线性度（R平方值）为0.8989。采用分段的方式处理数据时，三段数据的线性度分别为0.9951、0.9900、0.9895。
　　 通过位移测量实验结果表明，本文开发的无线微位移电容传感器具备6mm的测量范围，0.1mm的分辨率，测量相对误差小于1.2％，通信距离大于50m。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 位移传感器概述

1．2．1 位移传感器定义和分类

1．2．2 位移传感器的原理及适用范围

1．2．3 电容位移传感器的研究现状和发展方向

1．3 本文研究目的和主要内容

第2章 微位移电容传感器探头和电容测量电路

2．1 电容传感器探头的基本原理

2．2 单片式微位移电容传感器探头

2．3 常规电容测量电路

2．3．1 电容传感器等效电路

2．3．2 常规电容检测电路

2．4 集成式微小电容测量

2．5 电容测量芯片对比

2．6 本章小结

第3章 微位移电容传感器系统设计

3．1 微位移电容传感器系统简介

3．2 微位移电容传感器硬件电路

3．2．1 硬件电路各模块设计原理

3．2．2 硬件电路PCB设计

3．3 微位移电容传感软件设计

3．3．1 电容采集端程序设计

3．3．2 无线数据收发程序设计

3．3．3 液晶和串口操作程序设计

3．4 微位移电容传感器上位机软件设计

3．5 本章小结

第4章 数据采集与位移测量实验

4．1 实验说明和实验测量

4．1．1 传感器电容数据采集和标定

4．1．2 传感器位移测量实验

4．2 实验误差来源

4．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文