电容式微位移测量仪的设计
电容测位移
电容测位移在现代科技的发展中，电容测位移技术成为了一种常见且有效的测量方法。
它利用电容的原理来测量物体的位移变化，广泛应用于工业、医疗和科学研究等领域。
首先，我们来了解一下电容测位移的基本原理。
电容测量的基础是电容器。
电容器由两个导体板和介质组成，当介质发生位移或变化时，导致两个导体板之间的电容值发生变化。
通过测量电容值的变化，我们可以计算出物体的位移。
在实际应用中，电容测位移技术有多种实现方式。
其中一种常见的方法是使用微弱的交流信号来测量电容值。
当物体发生位移时，电容值会发生微小的变化，这些变化被放大并转换成可测量的电信号。
通过对电信号进行分析和处理，我们可以准确地测量出物体的位移信息。
电容测位移技术具有许多优点。
首先，它对被测物体没有接触性，不会对物体产生破坏或干扰。
其次，电容测量可以实现非常高的精度，可以测量微小的位移变化。
此外，电容测位移技术还具有快速响应的特点，适用于对位移变化要求较高的应用场景。
在工业领域中，电容测位移技术被广泛应用于机械设备的位移监测和控制。
例如，在机械加工过程中，我们可以使用电容测量来监测工件的位移，以确保其精度和稳定性。
在医疗领域，电容测位移技术可以用于测量人体的呼吸和心脏跳动等生理信号，为医生提供重要的诊断依据。
然而，我们在应用电容测位移技术时也需要注意一些问题。
首先，由于电容测量对环境的干扰非常敏感，我们需要采取措施来减少干扰源，以确保测量结果的准确性。
其次，电容测量的范围和精度受到一些限制，我们需要根据具体应用场景选择合适的测量方法和设备。
总之，电容测位移技术是一种非常有用和有效的测量方法。
它通过利用电容器的原理来测量物体的位移变化，广泛应用于工业、医疗和科学研究等领域。
在应用电容测位移技术时，我们需要注意选择合适的测量方法和设备，并采取措施来减少干扰源，以确保测量结果的准确性和可靠性。
毕业设计(论文)基于单片机的电容测量仪设计
图3电路原理框图
误差分析：这种电容测量方法的误差主要由两部分组成：一部分是由555芯片构成的振荡电路和触发电路由于非线性造成的误差，其中最重要的是单稳态触发电路的非线性误差， (T由充放电时间决定， 是被测电容值)；另一部分是由数字电路的量化误差引起，是数字电路特有的误差该误差相对影响较小，可忽略不计。
这种方法的利用了一个参考的电容实现，虽然硬件结构简单，软件实现却相对比较复杂。
方案二、直接根据充放电时间判断电容值
这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性 ，放电常数 ，通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。一般情况下，可设计电路使 ( T为振荡周期或触发时间；A为电路常数与电路参数有关)。这种方法中应用了555芯片组成的单稳态触发器，在秒脉冲的作用下产生触发脉冲，来控制门电路实现计数，从而确定脉冲时间，通过设计合理的电路参数，使计数值与被测电容相对应。其原理框图如图3所示。
利用多谐震荡原理测量电容的方案硬件设计比较简单，但是软件实现相对比较复杂，而直接根据充放电时间判断电容值的方案虽然基本上没有用到软件部分，但是硬件却又十分的复杂。而且他们都无法直观的把测量的电容值大小显示出来。
根据上面两种方案的优缺点，本次设计提出了硬件设计和软件设计都相对比较简单的方案：基于AT89C51单片机和555芯片的数显式电容测量。该方案主要是根据555芯片的应用特点，把电容的大小转变成555输出频率的大小，进而可以通过单片机对555输出的频率进行测量。本方案的硬件设计和软件设计都相对简单。
电容式微位移传感器检测电路的设计
偏置 。Ａ。Ｃ ， ｒ Ｒ。 ， 。Ｃｔ ｆ 和 构成 高通 滤波器 ， 滤除低频 干扰 。双 Ｔ型滤波 器 的陷波 频率选 为 １０ｋ ， ０ Ｈｚ运 算 放大器 Ａ 对 于 １０ｋ 。 ０ Ｈｚ的激 励 信 号 相 当 于 开 环 。运算放 大器 Ａ。Ａ。 ， 和高 通滤 波器的 串联 电路 ，
Ｕ２ 一Ｕｌ 一 ２ Ｒ １ （ Ｒ （ ＋ｊ ＲＣ） ｏ Ｒ２ ２ （ Ｒ＋Ｒ３ ＩＲ。 。 ＋２ｔ Ｃ） 一ｃ Ｃ Ｒ３ ｊ Ｒ。 ， 。 ｏ
（） ３
时， 这种误差 相 当小 。因此 ， 设计一种改进型 的运 算
放大器检测 方法 ， 大大 提 高 放 大倍 数 ， 大 输 人 阻 增
文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ １～２ ５ （０ ５ ０ —０ ３ １０ ２ ７ ２ ０ ） １ ０ ３—０ ３
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｎ ｏ ｅ ｉ ｐ ｏ ｅ ｉ ｔ ｒａ ｅ ｉｃ ｉｒ ｖ ｌ ｍ ｒ ｖ ｄ ｎ ｅ ｆ ｃ ｃｒ ｕｔ ｙ ｆ ｒ ｃ ｐ ｃｔ ｎ ｅ ｔ ａ ｓ ｕ ｅ ｓ ｉ ｅ ｅｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｏ ａ ａ ｉ ｃ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒ ｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ａ ｏ ｅ ａ ｉｎ ｌ ａ ｐ ｉｉｒ Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔｌ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｐ ｒ ｔｏ ａ ｍ ｌ ｅ ． ｆ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｒ ｓ ｌｓ ｈ ｗ ｔ ａ ｉ ｅ ｒｔ ｆ０ １ ａ ｄ ｒ ｓ ｌ ｔｏ ｆ０ １ ｍ ａ ｈ ｔｌ ａ ｉｙｏ ． ｎ ｎ ｅ ｏ ｕ ｉｎ ｏ ． ｃｎ ｂ ｃ ｉｖ ｄ ｅａ ｈ ｅ ｅ ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｃ ｐ ｃｔ ｎ ｅ ｅ ｓ ｒ ｉｐ ａ ｅ ｅ ｔ ｙ ｒ ｓ ａ ａ ｉａ ｃ ；ｓ ｎ ｏ ；ｄ ｓ ｌｃ ｍ ｎ
电容式位移传感器的设计
课程设计设计名称: 电容式位移传感器的设计_专业班级: __姓名: ____________学号: _________指导教师: ______xxxx年 xx 月目录一、设计要求………………………………………………………………3二、电容传感器工作特性 (3)三、电容传感器的优缺点 (3)四、基本原理………………………………………………………………3五、设计分析………………………………………………………………4六、消除和减少寄生电容的影响 (5)七、转换电路的设计 (6)八、差动放大电路…………………………………………………………8九、相敏检波器系统工作及原理 (9)十、心得体会 (11)十一、参考文献 (12)十二、附录 (13)1、设计要求：设计差动变面积式电容位移传感器，要求规定的设计参数。
1、测量范围（mm）：0~±1mm；2、线性度（%Fs）：0.5；3、分辨率（μm）：0.01；4、灵敏度（PF/mm）：5、通过理论设计、结构设计、理论分析等过程设计传感器结构和测量电路，画出结构示意图和测量电路图，并进行参数计算。
利用参数和结构来选择合理的方法消除或减少寄生电容的干扰影响。
结合传感器实验平台，确定传感器的静态灵敏度和线性范围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。
2、电容传感器工作特性电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。
相对与其他传感器来说，电容式传感器的温度稳定性好，其结构简单，易于制造，易于保证高的精度，能在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强；它的静电引力小，动态响应好，可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等；它能够实现非接触测量，在被测件不能受力，或高速运动，或表面不连接，或表面不允许划伤等不允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务；当采用非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以减少工件表面粗糙度等对测量的影响。
因其所需的输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、很小的加速度、位移等，由于在空气等介质中损耗小，采用差动结构并连接成桥式电路时产生的零点残余电压极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度，分辨力高，能敏感0.01μm至更小的位移。
数字电容测量仪设计设计
摘要当前现代化电子市场正朝着快速及便利同时大容量的方向发展，现代电子产品几乎能运用到社会的各个领域当中，有力的推动了社会现代化的发展。
同时，电子产品也被要求以更快速度的升级和更快速的处理。
本设计以STC89C52单片机和555振荡器作为主要元件，来实现对电容容量的基本测量。
本设计基于555振荡器构成多谐振荡器来产生输入脉冲信号，然后再通过STC89C52单片机对方波脉冲进行中断计数而测量电容的。
在多谐振荡器输出端加入一个74HC08使输出波型毛刺减少，从而使单片机测量结果变精确。
555振荡器所产生的信号会根据所选的电阻的阻值不同，从而调节电容的参数值，这样就可以确定被测电容的容值范围，最后通过LCD1602显示器显示被测电容容值。
在软件设计中，该设计使用C语言来编写程序。
该仪器具有方便快捷，简单实用，价格低廉等特点。
关键词：电容测量;555振荡器;STC89C52;LCD1602AbstractThe current modern electronic market is headed in fast and convenient large capacity and the direction of development, modern electronic products to use to almost all areas of society of powerful promoted the development of modern society. At the same time, the electronic products also are required to faster speed upgrade and more fast process.This design to STC89C52 single-chip microcomputer and 555 oscillator as the main components, to realize the basic capacity of capacitance measurement. This design based on the 555 oscillator to generate more than a harmonic oscillator input pulse signal, and then through the STC89C52 microcontroller each other to interrupt pulse count and measurement of capacitance. In order to join the output oscillator a 74 HC08 to make the output waveform burr reduced, so that the single chip microcomputer variable precision measurement results. 555 oscillator generated signal will be selected according to the resistance of the resistance is different, which regulates capacitance parameter value, which can determine the capacity of the capacitance value range, the last through the LCD1602 display shows measured capacitance let value. In software design, this design using C language to write the program. The instrument has convenient and quick, simple, practical, and low prices, etc.Keywords: capacitance measurements;555 oscillator;STC89C52;LCD1602目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (I)1 绪论 (1)1.1 引言 (1)2 STC89C52单片机的基本功能及应用 (2)2.1 STC89C52芯片介绍 (2)2.2 STC89C52应用说明 (3)2.3 单片机工作的最小化配置 (4)3 系统设计 (6)3.1 设计要求 (6)3.2 整体方案设计 (6)4 硬件设计 (10)3.1 时钟电路 (10)3.2 按键电路 (10)3.3 复位电路 (11)3.4 555芯片电路 (12)3.5 显示电路 (14)5 程序设计 (17)6 总结 (19)参考文献 (20)附录 (21)附录1 实物图 (21)附录2 元件清单 (22)附录3 系统原理图 (24)附录4 程序清单 (25)致谢 (31)1 绪论1.1 引言当前现代化电子市场正朝着方便快捷容量大的方向发展，现代电子产品几乎能运用到社会的各个领域当中，有力的推动了社会现代化的发。
简易数字式电容测试仪的设计
目录一. 设计要求 (2)二. 方案选择及电路的工作原理 (2)三. 单元电路设计计算与元器件的选择 (2)四. 设计的具体实现 (3)1. 系统概述 (3)2. 单元电路设计、仿真与分析 (6)a. 单稳态触发器 (6)b. 多谐振荡器 (8)c. 计数器 (9)3．电路的安装与调试 (10)五．心得体会及建议 (11)六．附录 (12)七．参考文献 (15)简易数字式电容测试仪设计报告一. 设计要求设计和实现一个简易数字式电容测试仪――电容表。
（1）．被测电容范围：1000PF(1nF)~10uF(10000nF)；（2）．测试误差<10%；（3）．电容值至少用两位数码管显示。
二. 方案选择及电路的工作原理方案一：首先555多谐振荡电路提供单位标准脉冲(周期T0)，同时给555单稳态电路提供激励。
待测电容接入单稳态电路，由于电路输出信号周期Tw与电容的值Cx成正比，通过计算使得T0正好为Cx = 1000pF时输出周期Tw0。
然后在计数模块中，将Tw信号接入清零端，将T0接入同步信号输入端。
再在寄存器模块中，将Tw信号接入置数端，将计数器的数据接入寄存器。
最后对寄存器的数据进行译码后传入数码管。
方案二：首先取一个555多谐振荡电路提供单位标准脉冲，我们称其输出为UNIT_OUT。
再取一个作为帧率控制的单稳态触发器将UNIT_OUT信号作为输入，其输出为一个单稳态时间为1s的周期信号，称为CON_OUT。
此时我们将这两个输出取或运算后输入另一个用于测量电容的单稳态电路。
如此设置后，仅当UNIT_OUT，CON_OUT均为低电平时，才会触发此电路产生单稳态，其输出称为CX_OUT。
这时我们将UNIT_OUT接入40110计数端，用CON_OUT和UNIT_OUT来控制40110的计数使能和复位端。
这样设置就能让电路实现电路自动计数，并且支持热插拔的功能。
方案选择：方案一的电路在上电后只对电容进行一次测量。
电容测试仪的设计与制作
简易电容测试仪摘要数字电容测量仪是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
现在常用的测量方法是电容表法和充放电法。
本设计使用两个555定时器，其中一个555定时器搭建成单稳态触发器，通过给端脚2一个负脉冲使定时器由单稳态进入暂稳态，从而在输出端输出一个高电平的单脉冲，通过计算这个单脉冲的宽度便可由公式算出电容值，另一个555定时器搭建成多谐振荡器，通过电容充放电产生固定周期的脉波，作为计数脉冲；将计数脉冲接到74161构成的4位计数器的低位的计数脉冲输入端进行计算，每个74161的四个输出端接到数码管进行显示，用置数法对74161赋初值；采用直流稳压为系统提供+5V电压。
设计中使用开关转换来达到3个大量程测量电容，能够测量1pF~1000PF，1n~1000nf，1u~1000uf的电容值；其中100pf~100u为所要求的测量量程，在这个量程范围内，可很精确地测量到电容值，误差范围为0~百分之一。
关键词555定时器，单稳态触发器，多谐振荡器，74161构成的计数器技术要求1. 测试电容容量范围为100PF～100μF；2. 应设计3个以上的测量量程；3. 用四位数码管显示测量结果4. 用红、绿、蓝色发光二极管表示单位。
一、系统综述1.1、基本设计思路：将需要测量的电容接到单稳态触发器的6和7引脚端，另一端接地，6和7引脚通过电阻值与电源正极相连，而通过改变该电阻的阻值可以获得到不同的量程，单稳态触发器产生的脉冲宽度为：xx CCCC CCx w1RC.1ln3RCV 3 2V0 VlnRCt= =--=；把该脉冲接到多谐振荡器的REST端控制多谐振荡器的工作，通过多谐振荡器产生的计数脉冲对单稳态触发器产生的高电平单脉冲进行计数，（当取合适电容电阻参数时，便可使单稳态产生的单脉冲宽度内多谐振荡器产生的脉冲数等于电容数值，用不同颜色的LED灯便知道电容单位。
1.2、系统方案论证与选择：方案一容抗法测量电容电路其设计思想是首先利用一定频率（例为400Hz）的正弦波信号将被测量电容量Cx变成容抗Xc，然后进行C / VCA转换，把Xc转换成交流信号电压，再经过AC / DC转换期取出平均值电压V0，送至31/2位或41/2位A/D转换器。
电容式传感器测位移实验
六、实验报告要求 • 1. 实验数据真实，准确，填入表格 • 2. 对数据进行处理，进行误差分析，求出 线性度，灵敏度，做出输入-输出特性曲线
七、注意事项
• 1.不要带电操作，请仔细检查电路及仪器连 接后打开电源；
• 2.传感器内外筒上导线较细，请大家轻拿轻 放，并注意在改变位移时小幅度增加，避 免拉断导线； • 3.实验完成后注意整理好仪器再离开。
四、实验原理
S 0 r S C d d
• 差动圆筒式 两个外筒不动 等电势极管环形充放电电路
cx1
a
c
cx2
五、实验步骤
1.连接电路
2. 螺旋测微仪安装示意图
2.调节脉冲调制单元的电位器W1，使其输出 方波 3. RW1调节到中间位置，旋动测微头推进电 容传感器移动至极板中间位置，使电压数显 表显示为最小值 4.旋动测微头，每间隔0.5mm记下位移X与输 出电压值，填入表
电容式传感器的位移 特性实验
一、实验目的
理解差动电容式传感器的工作原理，掌握差动电容 式传感器电路的组成并会计算其精度，了解电容传感器 在位移测量中的使用。
二、实验内容
利用电容式传感器测位移
三、实验仪器
• 传感器检测技术综合实验台、电容传感器实验模块、 电容传感器、振动源实验模块、示波器、导线。
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哈尔滨理工大学学士学位论文 - I - 电容式微位移测量仪的设计 摘 要
在工业计量中有很多需要检测的参数与位移量的变化有关，如力、流量、温度、速度、振动、密度、粘度等。所以位移的测量在工业甚至其他一些领域显得尤为重要，而电容测微仪作为一种非接触式的，能够精确测量微小相对位移、微振动和微小尺寸的仪器，具有温度稳定性好、测量范围大、测量精度高、动态响应好、结构简单等一系列优点，它的相对变化量大，能在特殊环境下工作，如在强光照射下、在核辐射条件、过载冲击震动环境等。所以在航空、航天、工业生产加工、超精密测量等领域中具有广泛应用。 本文对电容测微仪的工作原理做了系统地、详尽地论述，并在此基础上，设计了以运算放大检测法为基础的测量电路，完成了硬件系统总体结构的研制，系统各个结构部分电路图设计及过程介绍。随后将通过传感器由位移量转化而成的电容量输出并转化成电压量；然后选用MAX1166作为将模拟量转换为数字量的A/D转换器，最后采用单片机C8051F020对测量系统进行单片机软件控制，实现了数据的采集和滤波、键盘参数设置、数据显示等。最后完成本次设计。
关键词 电容传感器； 微位移测量； 运算放大器检测 哈尔滨理工大学学士学位论文
- II - The design of Capacitive micro-displacement measurement instrument Abstract There are many in the industrial measurement and the need to detect the parameters related to changes in the amount of displacement, such as power, flow, temperature, speed, vibration, density, viscosity. So the measurement of displacement and some other industrial areas is particularly important, which capacitance micrometer as a non-contact precision measurement of small relative displacement. And the small size of micro-vibration apparatus, with temperature stability, wide measurement range, high accuracy, good dynamic response, simple structure and a series of advantages, it is the relative change in volume, can be used in special circumstances, such as in aviation, in bright light, the radiation conditions, overload shock and vibration environment. In this paper, capacitance micrometer works and its key technology to do a systematic and detailed exposition. On this basis, the design of the operational amplifier detection method based on measuring circuit, the completion of the hardware systems architecture development, system circuit design of various structural elements and operating principle and process introduction. Then transformed by the displacement sensor made by the capacitance into a voltage output and capacity; then use MAX1166 as the analog to digital conversion of the AD converter. Finally, we use single-chip microcontroller C8051F020 measurement system software control to achieve the data collection and filtering, keyboard parameter setting, data display. Finally, complete this design.
Keywords Capacitance sensor; Micro-displacement measurement; Operational amplifier examines 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - 目录
摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II
第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题研究的背景目的与意义 ................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及发展 ........................................................................... 1 1.3 课题研究的主要内容 ............................................................................... 4 1.4 文章结构 ................................................................................................... 4 第2章 电容式测微仪的测量原理 .................................................................... 5 2.1 基本测量原理 ........................................................................................... 5 2.1.1 平行板电容传感器 ............................................................................ 5 2.1.2 电容式位移传感器 ............................................................................ 6 2.1.3 传感器等效电路 ................................................................................ 8 2.2 电容测微的实现 ....................................................................................... 8 2.3 本章小结 ................................................................................................. 10 第3章 硬件系统设计 ...................................................................................... 11 3.1 硬件总体设计 ......................................................................................... 11 3.2 信号转换电路 ......................................................................................... 11 3.2.1 标准参比电容 .................................................................................. 13 3.2.2 稳幅正弦波激励源电路的设计 ...................................................... 13 3.2.3 主放大器的设计 .............................................................................. 14 3.2.4 整流滤波部分电路的设计 .............................................................. 15 3.3 A/D转换器及其应用 .............................................................................. 17 3.4 单片机设计 ............................................................................................. 20 3.4.1 单片机的选择 .................................................................................. 21 3.4.2 C8051F020总体介绍 ....................................................................... 21 3.4.3 C8051F020功能与资源介绍 ........................................................... 21 3.4.4 C8051F020的特点 ........................................................................... 22 3.4.5 稳压电源的设计 .............................................................................. 23 3.5 本章小结 ................................................................................................. 24 第4章 软件系统设计 ...................................................................................... 25 4.1 主程序设计 ............................................................................................. 25 4.2 初始化和自检 ......................................................................................... 27 4.3 数据采集和滤波 ..................................................................................... 27