基于电容传感器的微小位移测试系统的设计.doc

济南大学毕业设计

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毕业设计

题目基于电容传感器的微小位移
测试系统的设计
学院机械工程学院
专业机械工程及自动化
班级机自0702
学生王云海
学号20070403206
指导教师马玉真

二〇一一年五月三十日

1前言
1.1选题的意义
近几年的机械发展从传统化向科技化发展，以致是无论在试验室测试还是机械工业生产应用中，其生产要求的提高，使得人们对物体测量位移尺寸的要求也变得越来越高，甚至在必要时要精确到微米级甚至是纳米级，但传统的测量工具已经逐渐的落伍，如皮卷尺、直尺和千分尺都已经不能满足要求，一些大型实验室的精密仪器可以测量，但是价格昂贵，不能普及。随着现代科学技术的发展，针对位移特别是微小位移的测量方法应时代的发展，如雨后春笋般出现，基本上现在的位移测量和信号分析大多是靠电子仪器来实现的。对于这种情况，本课题寻求的是设计一种结构简单且廉价的微位移测量系统。
随着机械工业的迅猛需要，在大位移的测量逐渐满足不了测量要求的时候，这就促使着测量技术逐渐的向微小位移测量的方向发展。其测量方式也发生着本质性的改变，由以前粗略的纯手工测量转变为较为精准的系统化标准测量，而测量方法也由单纯的机械测量衍化为更为先进的光电技术参与的复杂测量。当前技术水平下的传感器系统正迈入飞速发展阶段，并且开始向着多功能化、微小型化、和系统化的方向发展。今后，随着CAD技术、单片机技术、信息理论及数据分析算法的继续成熟发展，未来的传感器系统必将变得更加多功能化、普遍化、微型化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术大肆发展、并应用于现实的当今社会，作为现代科学最为有力并应用最为广泛的传感器技术，并且是作为人们可以更快的获取并分析利用有效的各种信息的基础，传感器技术必将会进一步得到社会各界的广泛关注并注定会承载着其在未来需要发挥的作用。传感器的市场必将在未来的发展中更加壮大、也会显现出它在各个领域的威力。
伴随着电子技术进入的黄金发展期，现在的科学技术也解决了电容式传感器曾经存在的许多技术问题，完善了电容式传感器的功能与应用，传感器的应用意义可以说是无与伦比，工业生产、信息探索…都有着传感器的身影。传感器的应用不仅仅是再局限于精确测量角位移、厚度以及振动等物理量的测量，现代的传感器更是引申到了测量力、压力、压差、流量、温度等参数的先进技术，甚至于在自动检测与控制系统中也会发挥着极其重要的作用。随着电容传感器技术的成熟，它早已渗透到社会发展的各个领域中。无论是机械生产、宇宙探测、资源开发、还是文物保护、生物工程等偏僻领域都有着传感器的身影。甚至可以毫不夸张地说，上到广阔的太空，下到浩瀚的海洋，不管说是复杂的还是简单的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。传感器成为了现代社会发展基石。基于微小位移的测量，传感器的应用也是非常的广泛，而且其造价更是适中，而且优点众多，因此此次设计是利用电容传感器来完成的。
目前,对于微位移测量已日趋成熟，有多种方法来实现这一设计,如,差动电容小位移传感器的设计，激光位移传感器测量、光纤位移传感器的设计、基于单片机的电容式位移测量系统的设计。但综合比较这几种方法，再通过图书馆查阅各种资料，综合构思出了利用电容传感器构成的非接触角位移测量系统,再配合单片机进行数据处理及控制的系统设计理论,并就此理论来完成系统设计，使得测量系统更具有经济适宜、结构简单、灵敏度高、响应快、测量范围广、抵抗恶劣环境等一系列特点。
1.2国内外现状
电容测微计可以算是近年来发展最快的位移测量方法之一。起始时间很早，早在1910年，委利（Villey.J）就开始应用电容器的原理来测量小位移，虽然那时还不成熟甚至于说是生涩，但却是开始了电容传感器的历史并开始显现，但是直到惠丁顿(Whiddington,R.,1920)的超测微计问世后才引起人们对电容传感器的广泛注意，它已能分辨电极间距1埃的变化。位移传感器的研究生产在国内外已经有很长的历史，长时间的研究使其有了长足的发展并形成了全球的系统化。
国外也有许多公司和研究所专门针对传感器的研制和生产，其中，作为传感器技术领先者的国际知名品牌TURCK，一直是深受人们关注和重视。2005年初，其公司带来了其极具创新意义的产品：新一代的电感式传感器UPROX十。新一代传感器的核心技术是采用的具有专利技术的柔性多线圈系统替，而不是传统的空气线圈。
日前，最为先进的三端电容传感器代表着电容传感器的技术领先程度，其最小的已可测出5×10-5μm的微位移，关于其稳定性方面，甚至已经达到每天漂移几个10-9㎜程度，其线性优于1.5%。还有UPROX十传感器具有无与伦比的性能特性，其技术核心主要体现在三方面：
（1）首先是创造性的印刷电路板线圈结构；
（2）再次是柔性多线圈系统替代了传统落