传感器转换电路仿真及差动电容传感器转换电路设计-学位论文.doc

传感器课程设计 传感器转换电路仿真及差动电容传感器转换电路设计

燕山大学
课 程 设 计 报告

题目： 传感器转换电路仿真及差动电容传感器转换电路设计

学院（系）： 电气工程学院
年级专业： 10级仪表2班
学 号：
学生姓名：
指导教师： 童凯
教师职称： 副教授

燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）： 电气工程学院 基层教学单位： 自动化仪表系
学 号
100103020112
学生姓名
马文彬
专业（班级）
仪表2班
设计题目
传感器转换电路仿真及差动电容传感器转换电路设计
设
计
技
术
参
数
1测量范围0-5mm；
2输出电压0-10V；
3极板面积4cm2；
4灵敏度：
5精度：
6迟滞误差：

设
计
要
求
1学习电路仿真软件Circuit Design Suite10.0;
2设计与仿真调试各种传感器转换电路；
3设计差动电容位移传感器交流电桥转换电路；
4电容传感器转换电路调试；
5撰写报告、完成答辩。
工
作
量
第17-18周（完成资料查阅、方案设计、电路仿真硬件调试、测试及误差分析等内容）
工
作
计
划
设计时间共10天。
第1-2天 资料查阅(图书馆及网络)；理论工作原理学习。
第3-4天 设计方案制定。
第5-6天 电路仿真，各器件选型。
第7-8 传感器转换电路调试。
第9-10天 撰写报告，完成答辩。
参
考
资
料
张玉龙等.传感器电路设计手册.中国计量出版社.1989年
李科杰等.新编传感器技术手册.国防工业出版社.2002年
吴桂秀.传感器应用制作入门.浙江科学技术出版社.2004年
杨宝清，孙宝元. 传感器及其应用手册. 2004年
单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社. 1999年
殷淑英. 传感器应用技术.冶金工业出版社.2008年
指导教师签字
童凯
基层教学单位主任签字
谢平
说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语：
1、认真、很好的完成课设各阶段的任务。【 】
2、能够较好的完成课设各阶段的任务。【 】
3、能够按时完成课设各阶段的任务。【 】
4、不按时完成课设各阶段的任务。【 】
成绩： 指导教师：王志斌 赵彦涛
2012年 12月28日
答辩小组评语：
1、全面、得体的回答老师的提问。【 】
2、能够简要回答老师的提问。【 】
3、能够回答部分老师的提问。【 】
4、不能回答老师的提问。【 】
成绩： 组长： 童凯
2012年 12月28日
课程设计总成绩：
答辩小组成员签字：
童凯 吴飞 王志斌 赵彦涛 陈颖 朱丹丹
2012年 12月28日

目 录

第1章
摘要……………………………………………………1
第2章
引言……………………………………………………2
第3章
基本原理………………………………………………3
第4章
参数设计及运算………………………………………5
4.1 结构设计…………………………………………5
4.2 电容设计与计算…………………………………8
4.3 其他参数的计算 ………………………………10
4.4 测量电路的设计 ………………………………12
第5章
误差分析 ……………………………………………14
第6章
结论 …………………………………………………16
心得体会 ……………………………………………17
参考文献 ……………………………………………18

第一章 摘要

差动式电容传感器灵敏度高、非线性误差小同时还能减小静电引力给测量带来的影响并能有效的改善高温等环境影响造成的误差因而在许多测量场合中被广泛应用。把被测的机械量如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。本设计采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化电容式传感器的电容值十分微小必须借助信号调理电路将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。因此，本设计中采用了运算放大器、二极管整流电路以及二阶低通滤波器等电路设计并对这些单元电路进行了原理分析，通过参数的确定实现位移向电压的转变。在本次设计中还涉及了测量过程中的误差分析从而保证了测量的精度和准确度。

第二章 引言

在科学研究和工业生产中,电容式传感器已经成为非常重要的一种测试装置,在位移、压力、物质成分、物位、加速度等参量测试中都有着广泛的应用。电容式传感器具有结构简单、非接触测量、灵敏度高、动态响应特性好、稳定性好等优点。电容式传感器的输出信号与被测量的变化有着直接的关系,而且,通常都非常微弱。因此,如何将微小电容变化测量出来,传感器后续的检测电路就显得非常重要。目前,已有不少学者提出了一些解决方法,如,谐振法、振荡法、开关电容法、AC电桥法、运算放大器检测法等。本文将介绍一种基于运算放大器、二极管整流、二阶低通滤波技术的差动电容式小位移传感器的检测电路。

第三章 基本原理

一、 反相比例放大器
反相输入放大电路如图所示，信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端，输出电压vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈放大电路。
R ¢为平衡电阻应满足R ¢= R1//Rf。
利用虚短和虚断的概念进行分析vI=0，vN=0，iI=0，is=if 
即      
∴

仿真电路图

仿真结果

二、 同相比例放大电路

同相输入放大电路如图1所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。
根据虚短、虚断的概念有vN=vP=vS，i1=if

于是求得 

所以该电路实现同相比例运算。

仿真电路图

仿真结果

三、 差动放大电路

差分式减 法电路图1所 示电路可以实 现两个输入电 压vS1、vS2相减,在理想情况下，电路存在虚短和虚断， 所以有vI=0，iI=0，由此得下列方程式：

及
由于vN=vP，可以求出
若取 ，则上式简化为
即输出电压vO与两输入电压之差（vS2–vS2）成比例，其实质是用差分式放大电路实现减法功能。

仿真电路图
仿真结果

四、二极管整流电路

五、二阶低通滤波
原理：为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。
（1） 通带增益
当f = 0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为
（2）二阶低通有源滤波器传递函数
根据图可以写出

联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数

仿真电路图

仿真结果

输出与输入的关系

原理：直流电桥的平衡条件
直流电桥电路如图所示,输出电压为

六、电桥

仿真电路图

第四章电路设计
设计思路
本设计采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化电容式传感器的电容值十分微小必须借助信号调理电路将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。因此，本设计中采用了反向运算放大器、差分放大器、二极管整流以及二阶低通滤波器等电路对差动电容输入信号进行变换放大处理，通过参数的确定实现位移向电压的转变。
电路图

将CX2变为34pF产生信号，正负两端均经过两次反向比例放大器放大91*91倍，然后经过二极管整流电路，所以有以下信号输出，A通道为经过整流以后的信号，B通道为函数发生器发出信号

正负两端信号输入差动放大器，然后经过二阶低通滤波器，输出了如下信号，A通道为输出信号，B通道为函数发生器输入电路信号

第五章误差分析

一、电路板上元件的阻值与实际的电阻值有一点的误差得到的结果与计算结果有不同。
二、读数时有偏差连接示波器时的元件的具体频率值与电阻值都直接取了整数并不是原来的那个值。因此在具体周期的计算值上也有不同。
三、集成运算电路的失调、漂移所引入的运算误差。
四、差分放大器由于电路存在共模电压,必须选用共模抑制比较高的集成运放,才能保证一定的运算精度。但是即使采用了共模抑制比很高的集成运放,在小信号放大的时候,输出还是有很大的误差。
五、二极管整流电路引起误差主要是由于处理整流二极管导通角时理论值与实际测量值的不同引起。
六、由于室内温度的变化引起电阻发生变化引起误差。

第六章 结论

经过反向运算放大器、差分放大器、二极管整流以及二阶低通滤波器等电路对差动电容输入信号进行变换放大处理将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化。直流电桥电路与交流电桥电路把输出的物理量变成电路电压的变化量。比例放大电路为电路提供电压增益；整流电路主要是将交流信号转换成直流信号。差动放大电路为差模提供有效增益，同时抑制共模干扰。二阶低通滤波器消弱了高频区的信号，更好地得到低频区的信号。
通过设计电路与各种参数，经过电路仿真和电路板的焊接，然后经过电路板的调试，得出结论。完成了此次课程设计。

心得体会

通过两个星期的传感器课程设计，使我更加了解电路的基本知识，基本原理以及基本电路。为以后的长远发展打下了坚实的基础。通过设计差动电容传感器转换电路，我充分的了解了反相比例放大器、同相比例放大器、二极管整流电路、差分放大器、二阶低通滤波器的工作原理，还学会了电路仿真软件NI multisim丰富了知识，同时，我们进行了电路板的焊接，提高了自己的动手能力，促进了自己的研究兴趣。同时，这两个星期里我们一个班呆在一个教室里，还有老师的陪伴，自己有了疑问不仅可以找老师也可以找大家问或一起商量，这样不仅促进了知识的学习而且促进了同学之间的友谊。这两个星期里我收获了很多很多。

参考文献

张玉龙等.传感器电路设计手册.中国计量出版社.1989年

李科杰等.新编传感器技术手册.国防工业出版社.2002年

吴桂秀.传感器应用制作入门.浙江科学技术出版社.2004年

杨宝清，孙宝元. 传感器及其应用手册. 2004年

单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用.国防工业出版社. 1999年

殷淑英. 传感器应用技术.冶金工业出版社.2008年