摘 要

本次设计主要是利用电容传感器进行地面脉动测量，通过测量地面振动情况来检索深层地下空间信息，从而针对不同的地面情况制定出相应的解决策略。

本文以变面积型电容位移传感器的测量原理为理论基础，介绍了一种基于差动电容原理的传感器设计方案，该传感器结合了电容数字测量电路，利用圆柱形的差分电容极板间的重合面积的位移差而导致的电容变化来检测某一轴方向的位移变化。为使测量电路更具简易化，所采用AD7747电容-数字转换芯片，从而达到简化测量电路和数据处理的要求。

论文主要工作包括：

1. 研究了设计一个能检测低频率的微位移传感器，利用Inventor对设计的传感器进行建模，熟悉工艺流程，对各个元部件的相应加工处进行优化。接着，利用CAD对需要制作的传感器部分完成工程图的绘制。
2. 研究硬件设计部分，主要针对AD7747芯片设计电容调理电路，加入信号隔离电路模块。
3. 研究完成软件部分设计，主要对AD7747的信号采集的进行软件设计，利用上位机与单片机的485串口通信。编写上位机软件，将采集的数据保存至PC端。
4. 对完成的传感器系统进行实验校准，对采集的数据进行分析。实验结果表明，采集的数据结果有一定误差，但是说明本次地面脉动测量系统的方案是可行的。

研究结果表明，本次设计的地面脉动测量系统，较为完善的实现了设计要求。针对地面上的震动情况可以显示不同程度的位移量的变化。

关键词：变面积型传感器；调理电路；微位移；AD7747；

Abstract

This design mainly uses the capacitance sensor to measure the ground pulsation, and retrieve the deep underground space information by measuring the ground vibration, so as to formulate corresponding solutions for different ground conditions.

Based on the measurement principle of the variable area capacitance displacement sensor, this paper introduces a sensor design scheme based on the differential capacitance principle. The sensor combines the capacitance digital measurement circuit, and uses the capacitance change caused by the displacement difference of the coincidence area between the cylindrical differential capacitance plates to detect the displacement change in a certain axis direction.In order to make the measurement circuit more simple, the AD7747 capacitance digital conversion chip is used, so as to simplify the measurement circuit and data processing requirements.

The main work of the thesis includes:

1. Design a micro-displacement sensor which can detect low frequency, use Inventor to model the designed sensor, familiar with the process flow, optimize the corresponding machining place of each component. After that, the engineering drawing is completed by using the CAD to the sensor part to be made.
2. Hardware design part, mainly for AD7747 chip design capacitor conditioning circuit, add signal isolation circuit module.
3. A part of the software design is completed, mainly for AD7747 signal acquisition software design, using the PC and MCU 485 serial communication. Compiles the upper computer software, saves the collected data to the PC end.
4. the completed sensor system was experimentally calibrated to analyze the collected data. The experimental results show that there are some errors in the data collected, but it shows that the scheme of the ground pulsation measurement system is feasible.

The results show that the design of the ground pulsation measurement system is perfect to achieve the design requirements. For vibration on the ground can show varying degrees of displacement changes.

Key Words：Variable polar distance sensor; conditioning circuit; micro displacement；AD7747；

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3论文主要内容 3

第2章 电容测量原理及总体方案设计 5

2.1电容传感器原理 5

2.1.1变极距型电容传感器 5

2.1.2变面积型电容传感器 7

2.1.3变介质型电容传感器 8

2.2电路设计方案 9

2.2.1电容检测电路 9

2.2.2数字化检测方法 10

2.3传感器系统整体设计方案 12

2.4本章小结 13

第3章 电容传感器测量系统的设计 14

3.1传感器设计原则 14

3.2传感器的结构设计 14

3.2.1传感器的选材和尺寸设计 14

3.2.2弹簧片的设计 17

3.2.3传感器外壳设计 19

3.3硬件电路设计 21

3.3.1测量电路设计 21

3.3.2信号隔离电路设计 21

3.3.3主控电路设计 22

3.4软件设计 23

3.4.1下位机软件设计 23

3.4.2上位机软件设计 23

3.5小结 24

第4章 实验数据分析 25

4.1测量实验 25

4.2误差分析 26

第5章 工作总结 27

5.1总结 27

5.2未来展望 27

参考文献 29

致谢 30

绪论

1.1课题研究背景及意义

为了预防地震，对地震这一主要的自然灾害的活动范围进行预测，可以最大限度地减少地震灾害的发生。地震预警系统主要是发出警报，对疏散人员到安全地点或关闭重大工业等关键设施有一定的时限，以避免造成重大后果^[1]。

近年来，低成本，小体积的加速度传感器已用于地震监测的各个领域。考虑到地球表面一直存在的微小振动，我们可以通过测量这些振动来检索深层地下空间信息。地震仪是一种振动传感器，属于测量仪器的范畴。它主要用于地面运动测量，可以测量低频和大动态范围的振动模型。根据测量结果，可以将用于地震科学研究和防震减震的地震仪分为位移计，速度计和加速度计。根据用途不同，可分为弱地震仪器和强地震仪器。前者主要测量地面运动的速度，而后者着重于其位移和加速度。

本次设计的地面脉动传感器，其原理和实现方法国内外已经有很多成功的先例。其原理和实现方法国内外已经有很多成功的先例，都是基于变极距式和变面积型的工作原理。变极距型传感器，一般以平行板电容器为例，上极板固定，下极板为活动板，当距离减小时，则其电容应该变大。由于电容的相对变化与位移的变化为非线性变化，故可采用差动式结构，可大大降低非线性误差，而变面积型传感器，一般通过两极板间的相对覆盖面积发生变化从而引起电容变化^[2]。通过电路将电容变化值读取出来上传至上位机进行分析和计算，便可得到震动情况。

通过这个地面脉动测量系统，可以准确地探测到地面的震动情况，帮助人们能更好地分析地底下的情况。当发生重大灾害时，能够提前的做出预警，减轻灾害带来的破坏。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

在国外，用于地震传感器的MEMS技术已得到广泛应用，并且取得了显著成功。比较有代表性的传感器众多，比如加速度传感器、红外微动传感器、陀螺微传感器、微触觉传感器等等。