盛奮華

摘 要： 介紹了一種電容式位移傳感器調(diào)理電路，分析了電容式傳感器調(diào)理電路中二極管不平衡環(huán)形電路的工作原理，搭建了實驗平臺，對設(shè)計的電路進行了數(shù)據(jù)采集，采用端點直線法分析了電容式位移傳感器的非線性誤差。實驗結(jié)果表明，該電容式位移傳感器非線性誤差很小，能夠準確的測量出微小變化的位移。

關(guān)鍵詞： 電容式傳感器； 非線性誤差； 位移

中圖分類號： TP 212 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）05-0088-03

0 引 言

電容傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應好，靈敏度高，能測量微小變化等優(yōu)點。廣泛應用于位移、速度、加速度等機械量精密測量。在實現(xiàn)運料車輛尋軌運行至指定位置，進行貨料稱重并完成卸載儲存的智能化倉儲管理系統(tǒng)中，利用電容式位移傳感器實現(xiàn)位移檢測，保障小車能夠準確停靠，其調(diào)理電路的設(shè)計至關(guān)重要，本文對此進行了研究。

1 智能倉儲管理系統(tǒng)原理

智能化倉儲管理系統(tǒng)采用單片機控制，結(jié)合應變片傳感器、電容傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、H橋PWM輸出模塊、放大電路等，構(gòu)成運料小車，其原理框圖如圖1所示。圖1中，應變片傳感器完成稱重功能，電容傳感器檢測位移，確定小車?？课恢谩?/p>

2 電容傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計

在本電容傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計中采用差動式電容傳感器，調(diào)理電路設(shè)計中采用二極管不平衡環(huán)形電路，差動輸出的電容量在調(diào)理電路中分別是Cx1和Cx2，其調(diào)理電路如圖2所示。

電容式傳感器調(diào)理電路由與非門組成的多諧振蕩器、LM324構(gòu)成的放大電路以及二極管不平衡環(huán)形電路構(gòu)成。圖2中，U1A和U1B兩個與非門之間經(jīng)電容C1和C2耦合形成正反饋回路。合理選擇反饋電阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，這時，兩個反相器都工作在放大區(qū)。由于電路完全對稱，電容器的充放電時間常數(shù)相同， 可產(chǎn)生對稱的方波。改變R和C的值，可以改變輸出振蕩頻率。方波經(jīng)過LM324運放放大后，送給二極管不平衡環(huán)形電路。二極管不平衡環(huán)形電路中的Cx1和Cx2為電容傳感器的兩個差動輸出的電容量，位移變化時，電容量發(fā)生變化。電容量的變化使得輸出端電壓含有直流分量，直流分量經(jīng)過低通濾波后在輸出端得到不同極性的直流電壓。在系統(tǒng)中該直流電壓大小對應位移的變化，從而實現(xiàn)位移的檢測。二極管不平衡環(huán)形電路的設(shè)計如圖3所示。

圖3中，Cx1和Cx2為差動式電容傳感器的兩個電容量，D4～D7為特性相同的4個二極管。與非門組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng)過放大后再經(jīng)C4，L1隔離直流和低頻干擾信號，在MO端的電壓uMO為正、負半周對稱的方波。在uMO正半周時，一路經(jīng)D4對Cx1充電，另一路經(jīng)D5對Cx2充電。在uMO負半周時，一路經(jīng)D6對Cx2充電，另一路經(jīng)D7對Cx1充電。若初始狀態(tài)下Cx1=Cx2時，C5兩端的電壓uC5是對稱的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是對稱的矩形波，沒有直流分量。當Cx1≠Cx2時，C5兩端的uC5為正負半周不對稱的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量經(jīng)過L2和C6低通濾波后，在輸出端得到不同極性的直流電壓Uo。

3 電容式傳感器測位移實驗

搭建電容式位移傳感器調(diào)理電路的測試平臺，隨著位移的變化電容傳感器電容量發(fā)生變化，從而調(diào)理電路輸出電壓UO發(fā)生變化，經(jīng)過多次實驗得到位移—輸出電壓的幾組數(shù)據(jù)，如表1所示；對得到的數(shù)據(jù)計算平均值，結(jié)果如表2所示。

采用端點直線法，以傳感器校準曲線兩端點間的連線作為擬合直線，兩端誤差為零，中間大。取端點（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.則k=548，把k帶入到直線方程y1=a1+kx1，求出a1=-44.6，故端點直線方程為

y=-44.6+548x。 （1）

針對每一個位移，對測量數(shù)據(jù)平均值與擬合直線計算值相比較，得出最大誤差如表3所示。

4 結(jié) 論

針對電容式位移傳感器設(shè)計的調(diào)理電路進行試驗平臺搭建和數(shù)據(jù)分析，采用端點直線法進行擬合計算出非線性誤差僅為±0.27%，非線性誤差很小，設(shè)計的調(diào)理電路在實際應用中有很大的實用價值，能夠準確的測量微小變化的位移。

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