matlab电容式传感器仿真,差动电容式位移传感器的仿真研究
2011.05 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 23 Technology & Application 差动电容式位移传感器的仿真研究 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式位移传感器，主要对传感器的数学模型及电容检测电路进行了仿真研究。其中检测电路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。最后利用Matlab/Simulink 软件对所设计的系统进行仿真，并分析了传感器性能。仿真研究表明，传感器及其检测电路具有合理性，测量范围内具有很好的线性度。 关键词：差动式；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 电容传感器相比其他类型传感器具有自己的优势，国内外普遍认为它是未来很有发展前途的传感器[1]。但由于电容传感器存在量程小、输出阻抗高、存在寄生电容、抗干扰能力差、测量值受介质和电磁场的影响很大，尤其是电解质的影响往往限制了其适用范围。而差动电容式传感器相比于电容传感器的灵敏度提高一倍，非线性误差大大降低，且还能减少静电引力给测量带来的影响，并有效进行温度补偿。 本研究正是在这样的背景下，充分借鉴前人研究成果的基础[2-4]，对电容检测电路进行了系统的研究，在 对现有各种检测电路分析比较的基础上，设计并仿真一套适合精密电容测量的检测电路。 二、.差动电容式传感器工作原理及其数学模型 差动电容位移传感器的设计采用的三片式差动电容位移传感器，它由三块金属板构成，中间的为活动板， 两边的为固定板，校装时三者应严格保持平行，表面光洁度必须很高，且化学性能必须稳定。因为金属板的面积较大，电容板之间的间距较小，边缘效应的影响可以忽略不计。故金属板之间的电场可以看做是均的，电场方向与金属板垂直，等位面则与金属板平行。 定极板和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—两极板间的相对面积； d—动极板与固定板之间的距离 当动极板位移为 0，即 d1=d2=d 时，有： d A CC r εε 0 21 == (2) 当动极片向一侧移动 dΔ 时，则电容相应变化为： dd A C r Δ− = εε 0 1 dd A C r Δ+ = εε 0 2 (3) 三、测试系统的总体构成 电容传感器电容值一般十分微小，因此必须借助于专业测量电路将其转化为电压信号输出。测试系统组成 如图 1 所示，正弦激励信号作用于转换电桥上，当差动电容中间的动片产生位移时，电桥将失去平衡，输出一 传感器世界 2011.05 www.sensorworld.com.cn 24 个电压信号，经过放大、整流及滤波电路将其直流分量提取出来，该直流分量与差动电容动片位移成正比关系。 1、正弦激励电路 正弦激励电路选用由集成运放和 RC 串并联网络形成的文氏桥振荡电路，此电路具有简单经济、体积小、功耗低等特点[5]。本正弦振荡电路的谐振频率 f=10kHz，其它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，桥路开路时电路呈线性等优点，电路仿真原理图如图 3 所示。C1、C2 为电容式传感器的电容。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为： 12 12 0 2 ZZ ZZU U + − = (4) 以 1 1 1 Cj Z ϖ =
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