1、第 I 页 共 页电容式电子测压器的测量电路设计摘 要本文提出的电容式放入式电子测压器，即把电容传感器的原理用于测压器中，使测压器的传感器和壳体一体化。我们所设计的测压器要求能被放置于被测体中，承受高压，能实时实况地测取动态数据。针对这种要求我们设计了一种新型的放入式电子测压器。直接利用测压器外壳的特性设计了一种圆筒（柱）式电容压力传感器，代替了压电式压力传感器。文章先给出了该种传感器的静态特性、动态特性、灵敏度等，之后从测量原理、检测电路和参数选取等方面进行设计。这种电容式放入式电子测压器具有体积小、结构紧凑的优点。关键词：电容（式）传感器，膛压测试，动态检测第 II 页 共 页Electr
2、ic capacity type electron pressure gauges meteringcircuit designAbstractThis paper presents Capacitive Electronic Jan-bore Pressure Gauges, and the principles of capacitive sensor are used to the press, to make the sensor and the shell a whole one. We require the press designed by us be put in the o
3、bject to be measured, support high pressure and measure dynamic parameters in real-time. Aimed at the requirement well design a new type of electronic gauges for chamber pressure measurements. The characteristics of the gauges shell is directly used for designing a kind of column capacitive sensor,
4、instead of a piezoelectric pressure transducer. The design in measuring theory, circuit and parameter are made. The result shows the static characteristic, dynamic characteristic, sensitivity of the capacitive sensor. Such capacitive Electronic Jn-bore pressure gauges have the advantage of small vol
5、ume and compact configuration.Key words: capacitive sensor, chamber pressure measurement, dynamic detection目录1 绪 论 11.1 课题的研究背景和意义 .11.2 课题领域研究的现状 .11.3 本论文的主要内容 .32 电容传感器原理 .42.1 电容传感器的工作原理 42.2 电容式传感器的特性（动态和静态） .6第 III 页 共 页3 测压器的系统设计 113.1 壳体设计 .113.2 弹性元件的应变分析 143.3 受外压作用的厚壁圆筒弹性变形时应力分析 144 电容式传感
6、器的测量电路 154.1 电容传感器测试电路的关键技术分析 .154.2 检测电路设计 .164.2.1 测量电 路芯片的选择 .164.2.2 MS3110 的工作原理 184.2.3 仿真软件 MAXplus与 ISE 简介 .214.2.4 MAXplus与 ISE 仿真 .224.3 A/D 转换 .254.4 存储电路 .294.5 控制电路 325 结论 36参考文献 .37致 谢 .39第 1 页 共 39 页1 绪 论1.1 课题的研究背景和意义20 世纪 80 年代初期随着微电子技术的发展,国外报道了利用存储器芯片作为信息载体的数字存储测试仪，20 世纪 90 年代传感器与微
7、型电子记录仪组为一体的存储测试产品在国际上出现。存储测试技术是从七十年代开始的一种新的弹上参数的测试方法，它是在对被测对象无影响或影响在允许范围的条件下，在被测体内置入微型数据采集与存储测试仪，现场实时完成信息的快速采集与记忆，事后回收记录仪，由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试技术 1。电子测压器就是存储测试技术的典型产品，它用于燃爆场内实测膛压曲线。所谓燃爆场内压力测试是指火药燃烧区域内压力或炸药爆心区域内压力的测试，该动态压力参数是评定火炮、火药装药、弹丸和引信等的谈到性能好坏的重要依据，典型的情况如火炮膛压测试 、弹底压力的测试等。新概念动态测试是中北大学祖静教授提出的，定义是把测
8、试系统放置到被测体上或被测环境中，在被测体实际运动的过程中实时实况地测取其动态参数。被测体，可能是飞行中的弹丸，几千米深的石油井下，做功运动中的内燃机活塞等。要求测试用的传感器和测试仪器放置到被测体中或被测环境中，承受与被测体相同的恶劣环境的作用 2。1.2 课题领域研究的现状（1）国外研究状况燃爆场内压力测试仪，国外从 80 年代末奥地利 AVL 公司在国际上推出了内置式电子测压器，俄罗斯在 1991 年也推出了内置式电子压力测试仪器，到 2000 年奥地利 HPI公司推出了第三代 B251 型内置式电子压力测试仪，其许多性能质变超出了国内产品的水平。第 2 页 共 39 页图 1.1 奥地
9、利 HPI 公司 600MPa 内置式电子压力测试仪图 1.1 为 HPI 公司 600MPa 的内置式电子压力测试仪 3。该测试仪器配置了专用传感器、研制了专用电池、设计了可供电方式、能够保高低温 48h，体积仅为22 （国内产品为 80cm）与铜柱（铜球）式机械测压器相当，能够满足中小口径火3cm炮膛压测试的要求，为防空反导高炮研制提供了有力的技术保障。美国和俄罗斯等国也已经在大、中、小各口径的火炮测试中广泛应用内置式电子压力测试仪。（2) 国内研究状况燃爆场内压力传统的测试仪器是放入铜柱（铜球）测压器。放入式铜柱（铜球）测压法在实际上已有一百多年的历史，在我国也有五十余年的实践史了。铜柱
10、（铜球）测压器直接放入被测环境，通过铜柱（铜球）的塑性变形量可以换算出最大压力，虽然使用方便，但只能算出最大压力，无法获取整个发射过程的膛压动态曲线，现已不能满足高薪武器研制的要求，因此，2006 年 12 月刚颁布的国军标 GJB3000-05“火炮内弹道试验方法”已把内置式的电子测压法列为火炮膛压测试的新方法，以逐步取代应用了上百年的内置式机械测压法 4。中北大学祖静教授的课题组在国内最早研制成功了内置式电子测压仪器电子测压蛋。该仪器既有铜柱（铜球）测压器无引线、使用方便的特点，又有引线电测压法测试精度高和能记录膛压时间曲线的特点，并可重复使用，曾一度处于国际领先水平，并于 1989 年获
11、得国家发明专利，1991 年获得国家发明二等奖。国内电子测压蛋的研制虽然很早，并且也已先后为兵器工业集团公司山东机器厂、齐齐哈尔建华厂、朝阳化工厂、山西北方机械制造有限责任公司、船舶 713 所、总装 31、32 基地等单位提供了电子测压蛋产品，成功获取了 100 滑膛炮、105 突击炮、122 榴弹炮、125 突击炮、130 榴弹炮、155 榴弹炮等中大口径火炮的大量膛压数据，该产品体积 80cm 量程600MPa（见图 1.2） 14；但是由于长期没有得到资金投入，内置电子压力测试仪技术第 3 页 共 39 页水平提高不大，已远远落后于国外的技术水平，落后于新修订的国军标所提出的膛压测试要
12、求 5。图 1.2 600MPa 放入式电子测压器1.3 本论文的主要内容论文内容大致可以分为四部分。第一部分（第一章）：在提出了课题研究背景的情况下，讨论了当前国内外在燃爆场内压力测试仪的发展状况，分析了当前国内外压力校准技术的方法，总结当前的微小电容测压器，提出了本课题的目的和存在的现实意义、深远影响。第二部分（第二章）：对电容式电子测压器的测量电路设计，从应变敏感元件端盖到圆筒，应用理论力学和弹性力学进行了设计性的分析和相关的有限元仿真。对电阻应变式传感器的原理及研制工艺作了介绍，为电容式电子测压器设计电路作了构想。第三部分（第三章）：介绍了对电容式电子测压器的校准技术研究，首先介绍了所
13、用的静态标定装置的原理和静态特性，设计了标定过程步骤和实验数据的处理方法。其次对动态测试校准理论和新概念动态校准理论作了分析，详细介绍了模拟膛压发生器动态校准系统，对校准测试数据提出了处理方法。第四部分（第四章）：对现有的电容测压装置的静态标定试验作了介绍，并求出了相关的静态特性指标，分析了数据误差。对放入式电子测压器的模拟膛压动态校准实测数据作了数据处理，进行了模拟膛压校准系统的不确定度的评定研究，最后对相关性在减少测压器膛压校准试验次数中的应用作了深刻的探讨。第 4 页 共 39 页2 电容传感器原理2.1 电容传感器的工作原理电容传感器是把被测的变化量转换成电容量变化的一种传感器。电容式
14、传感器不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。电容传感器结构简单、体积小、分辨率高、本身发热小，十分适合与非接触测量。这些优点，随着电子技术，特别是集成电路技术的迅速发展，得到了进一步的体现。电容式传感器是以各种类型的电容器为转换元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。电容传感器是一个具有多个可变参数的传感器。一般，电容是由两块金属平行板构成，并且以空气为介质 6。如图 2.1 所示。图 2.1 电容传感器的结构图两个平行板组成的电容器的电容量为：（2-1）式中： 电容极板间介质的介电常数，= 0 r 0
15、真空介电常数 r介质材料的相对介电常数S 两平行极板覆盖的面积d 两平行极板之间的距离C 电容量当被测参数使得式（2-1）中的 S、d、 发生变化时，电容量 C 也随之变化。如第 5 页 共 39 页果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。改变平行极板间距 d 的传感器可以测量微米数量级的位移；而变化面积 A 的传感器则适用于测量厘米数量级的位移；变介电常数式电容式传
16、感器适用于液面、厚度的测量。本设计我们采用的是：变间隙(极距)式。 （即 、S 保持不变）由式（2-1）知：初始电容量为 C0，极板初始间距为 d0,则当极板间距改变 d 时，电容改变量为 C。当极板初始距离由 do 减少d 时，则电容量相应增加C 两者之间有如下关系：（2-2）100)(dC由上式可知，电容量 C 与极板间距 d 不是线性关系，而是如图 2.3 所示的双曲线关系。图 2.2 C-d 特性曲线不过，当 d/d 时，有 A（ ）1，幅频特性平直，输出与输入为线性关系。为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感器设计时，必须使其阻尼比 1.11.2经验证 2.5.7.213上
17、述结论满足成为厚壁圆筒的条件，下面可以进行计算测压器受离情况的分析。当测压器受到最大的压强即 P2=P=800MPa 时，将上述参数代入公式（2-5） 、 （2-6） ，我们可知：切向应变:第 13 页 共 39 页2225()(0.3)81.07.1.86(1)trapEb 轴向应变: 22 25(1)(20.3)80.6111.86()zrapEb 其受压后直径的改变量 d 为：（3-4）222()(1)()r pabdpar 22522.80.5.480.31.1.860(1.3) cm24上述公式中的 均为泊松比，取值一般为 0.20.5，金属取值为 0.3在电容传感器中有为了不降低灵
18、敏度 S，变极距型电容式传感器需常工作在一个较小的范围内(0.01m 至零点几毫米)，而且最大 d 应小于极板间距 d 的 1/51/10。即 22.46103drR可求得内圆柱壳的外半径 R20); clk_div4=1;ELSECount = count +1; clk_div4=0;END IF ;END IF ;END PROCESS;-clk_div4 = count;END divider;VHDL 串行传输程序：library ieee; / 实体描述use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;use i
19、eee.std_logic_arith.all;entity xq1 is / 实体描述port(clk,start:in std_logic;dout:out std_logic);end xq1;第 25 页 共 39 页architecture parallel_to_serial_converter of xq1 issignal reg:std_logic_vector(59 downto 0);constant data:std_logic_vector(59 downto 0):= / 定义常数数据“1101000001000000001000011000000011111111
20、11100000000000000000“;beginprocess(clk,start) / 进程为 CLK 与 START 控制beginif(clkevent and clk=0) then / 时钟下降沿来到时,低电平有效 if(start=0) then / START 为 0 时芯片不工作reg=data;dout=0;else / START 为 1 时,数据右移reg(59 downto 1)=reg(58 downto 0);reg(0)= 0;dout=reg(59);end if;end if;end process;-dout=reg(59);end parallel_
21、to_serial_converter;MAXplus仿真图：第 26 页 共 39 页图 4.3 MAXplus仿真图START：（使能） ，高电平有效。START 为 1 时开始发送数据。CLK 时钟周期为 2us，当使能 START 为 1 时，CLK 下降沿有效，每来一个下降沿，dout发送一个数据，依次是 D59D0：“110100000100000000100001100000001111111111100000000000000000”60 位数。D59D0 依次由左向右移位，从而实现移位寄存器的功能。ISE 电路原理图：图 4.4: ISE 原理图输入端口Write_clk：2
22、M 晶振经过四分频得到频率为 0.5M 的输出。连接到 MS3110 的时钟输入端。START：（使能）高电平时有效，为 1 时开始发送数据。传输数据时接到电源 Vcc 上，传输完毕接地。第 27 页 共 39 页输出端口Dout：XCR3128 数据输出端，连接到 3110 的数据输入端。4.3 A/D 转换A/D 转换器是把输入的模拟信号转换成对应的数字信号的一种装置，被广泛用于闭环控制系统，数字通信系统等。本设计中，我们所测得的数据不利于保存，固我们要将模拟信号转换为对应的数字信号，这就需要采用模/数转换器（即 A/D 转换器或ADC） 。通常 A/D 转换需经过采样、保持和量化、编码这
23、两大步骤来完成。实现模/数转换的方法很多，可分类为：逐次逼近型、双积分型、并行式转换型、V/F 型等。逐次渐进型 A/D 转换器又称逐次逼近型 A/D 转换器，其原理框图如图 4.5 所示。它主要包括寄存器、D/A 转换器、电压比较器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路。常用的有逐次渐进型 A/D 转换器有 8、10、12 和 14 位等电路。其优点是精度高，转换速度快，由于它的转换时间固定，简化了与计算机的同步，所以常常用做微机接口 16。A/D 转换器的技术指标主要有：分辨率、精度、温度系数等等。分辨率是由 A/D转换器的位数决定的；温度系数由元件的温度性能和环境温度决定，但最重要的技术指标是精度。A/D 转换器的精度可用其线性度来表示，线性度又可分为积分线性度和差分线性度。工程上对积分线性度最为重视。其定义为 A/D 转换器的实际转换曲线和理想转换曲线（零点到满刻度点连接的直线）的最大偏差，通常简称为线性度。在实际应用中，通常在 A/D 转换器之前，还有放大器和滤波器，这些电路的非线性失真又使A/D 转换器的输出信号产生失真 17。
