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全数字式容栅位移传感器及其速度极限分析 奚锦文，蔡萍和沈生培 仪器I程系．上海交通大学，中国上海200030,联系电话：021 e-mail：Jinwen_Xi@hotmail．com 【摘要】全数字式容栅位移传感器具有结构简单性价比高等优点，但提高分辨率和灵敏度与提 高动尺相对定尺的运动速度是一对矛盾。本文介绍了全数字式容栅位移传感器的系统构成和 工作原理，分析了极板参数对速度极限和灵敏度的影响，最后给出了部分实验数据。 【关键词]容栅位移传感器速度极限周期测量 1．系统构成 全数字式容栅位移传感器具有结构简单，成本低廉等优点。在全数字式容栅传感器中， 测量电容作为多谐振荡器的外接元件，其电容量随动极板的运动而发生周期性的线性变化， 从而使振荡器的振荡周期随动极板的位移而发生相同规律的周期性线性变化，对振荡器输出 信号的周期进行采样和处理可以得到反映动尺位移的数字量输出。 整个测量系统的系统框图如图一所示，C，为大小固定的参考电容1，C，l为参考电容2 其大小与C，相同，C。为容值随动极板的周节内位移成线性变化的测量电容。工作时C。和 C，分时接入振荡器。振荡器输出信号的周期与一个周节内动极板相对定极板的位移工的关 系为T=盘R．工，其中R为多谐振荡器的外接电阻，≈为和振荡器参数相关的系数。 多谐振荡嚣 字输出 图一容棚啦移传感器系统框图 褊Blx／B2孛 动极板 定极板 图二容栅传感器板板形状示意图(阴影处接地) 第八届全国敏感元件与传感嚣学术会议论文集 _--———————————-___________————————●_●_____-——————————-●--__————————●—————————————————————一 极板型式如图二所示，其中n为动极板上的电极个数，在本设计中，n=4。图2中，B1 阴影部分为极板的非工作区，在这里非工作区全部接地。 2．通过归一化处理消除环境因素的影响 令Cl为参考电容C，l和参考电容C，组成的串联电容，C2为参考电容C，l和测量电容C。 组成韵串联电容。C。和C，分时接入振荡电路中，且 c1：三c，：丝 (1) ‘ 2’ 2d c．：生刍：三．堡塑塑：竺丝． ! (2) ‘ 46+nhxd ab+阼JH C，+C。d 其中s为介电常数，a，b，d，h为极板几何参数。 当C．作为振荡元件接入振荡器时，振荡周期为： 正：袱cl：mR．丝 (3) ‘ 2d 当作为振荡元件接入振荡器时，振荡周期为： (4) 。 L：mRC，：mR…each竺一 ’d动+nhx 考虑到电容极板间介质的介电常数会受温度影响，为提高系统的测量精度，在数据处理 中将王和瓦进行归一化，从而消除介电常数受温度系数的影响，令丁为归一化后的周期值。 丁；生： 坐