电容式传感器测位移

1、 传感器与检测技术课程设计传感器与检测技术课程设计 题目：题目： 电容式传感器测位移电容式传感器测位移 专专 业：业： 测控技术与仪器测控技术与仪器 班班 级：级： 学学 号：号： 4 4 目目 录录 一. 电容式传感器 1.1 电容式传感器工作原理.2 1.2 电容式传感器的结构类型.3 1.3 电容式传感器的优缺点.4 二. 电容式传感器测位移特性 2.1 设计原理图.5 2.2 流程图.5 2.3 测试方法 .5 3. 数据及分析数据及分析 .6 四.课程设计心得.7 一电容式传感器 1.1 电容式传感器的工作原理 两块极板之间的间隙变化，或是表面积变化，将使电容量改 变，根据这一原理制

2、成的传感器称为电容式传感器。 电容式传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物 理量装换成电容量的变化来实现测量的。电容式传感器的输出是 电容的变化量，利用电容 C= A/d 关系通过相应的结构和测量 电路可以选择 ,A,d 中三个参数中，保持两个参数不变，而只 改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ 变）,测位移（d 变） 和测液位（A 变）等多种电容式传感器。 本实验采用传感器为两组静态级片和一组动级片组成两个平 板式变面积差动结构（两个平板是变面积电容变化量只C= C1-C2）的电容位移传感器（具体平板式变面积电容式传感器 原理参阅教课书），差动时一般优于单组（单边）式的传感器。 它的

3、灵敏度高，线性范围宽，稳定性高。 电容量和两个极板的间隙、表面积之间的关系可用下式表示 C=/d =/d b S r 0 b S 式中， C : 电容 （微微法）； : 极板间介质的介电常数，空气的 = 1； : 两个极板相互覆盖的面积 (cm) ； b S d : 两个极板间的距离 (cm) ； : 相对介电常数 ； r : 真空介电常数 ；= 0.*10 F/cm 。 0 0 12 由式可见，在 3 个参数中，只要改变其中一个参数，即可使电容 C 发生变化。如果保持其中两个参数不变，就可把另一个参数的单 一变化转换成电容量的变化，即可以把 3 个参数中的任意一个的变 化转换成电容 C 的变

4、化。这就是电容式传感器的基本工作原理。 1.21.2 电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型 根据工作原理，在实际应用中，电容式传感器一般可分如下 3 种类型： 可以改变两极板间的距离 d ； 可以移动极板，以改变极板间相覆盖的面积 S ； 可以改变极板间的介质，以便介电常数 发生变化。 这 3 类常见的电容式传感器的主要结构形式分为改变极板覆盖面、 改变极板间距离和改变介质 3 组，每组又依运动件的平移（直线运 动）或角位移（旋转）分类。对于 1、2 组，每类又依电容器的形状 分成平面形或圆筒形。电容式传感器的组成可有单片单组、差接组 和多片单组等组合方式。 1.31.3 电容式传感器

5、的优缺点及一些特殊问题电容式传感器的优缺点及一些特殊问题 优点优点 动作能量低（极板间静电吸引力约几个 10 C），动作响应快 5 （固有频率高,载波频率高），本身发热影响小（用真空，空气或其 他气体作绝缘介质时），灵敏度高，误差小，能在恶劣的环境下工 作（如在高温，低温及强辐射等各种环境下）。因此，该传感器近 几年来得到了较快的发展，逐渐广泛地应用在工业自动化仪表中。 缺点缺点 （1)其输出特性式非线性的。对于改变极板距离的电容传感器。电 容量和极板间距离是非线性关系，虽然用差动式结构可以使其得到 改善，但是由于存在泄漏电脑和不可避免的不一致性，也不可能完 全消除特性的非线性。 （2）泄漏电

6、容的影响，传感器的电容量及其变化一般小于电容量， 泄漏电容量式由支持构建及连接电缆所引起。这些泄漏电容不仅降 低了转换效率，还将引起误差。但是，利用电缆屏蔽层的点位跟踪 与电缆相连接的可动极板的点位，或将信号处理的电子线路安装在 非常靠近的地方，皆可消除泄漏电容的影响。 由于上述特点，目前电容式传感器通过改变 d 和 s，在对位移 （直线和转角），压力，振动等的检测方面获得一定的应用。例如， 利用改变介电常数 的方法可以检测密闭容器中的液位，不到点松 散物质的料位，非导电材料的厚度，非金属材料涂层等。 二二电容式传感器测位移特性 2.12.1 电容变换器原理图电容变换器原理图 2.22.2.电

7、容式位移传感器设计原理方块图： 2.32.3 测试方法测试方法 1、将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按示意接线(实验模 板的输出接主机箱电压表的)。 2、将模板上的 Rw 调节到中间位置(逆时针转到底再顺时传圈)。 3、将主机箱上的电压表量程开关打到档，合上主机箱电源开关， 旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示 ，再转 动测微头(同一个方向)5 圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值 为实验起点值。以后，反方向每转动测微头 1 圈即=. 位移读取电压表读数(这样转 10 圈读取相应的电压表读数)，将数据 填入表 1 并作出实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消 除测微头的回

8、差)。 4、 根据数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差 。 机械位移 电容传感器 电容变换器 放大器电压表 三.数据及分析： X7.5 8.08.59.09.510.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 V0.5 0.59 0.68 0.77 0.86 0.95 1.04 1.12 1.22 1.30 1.40 X：（毫米） V：（伏） v 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 x7.588.599.51010.51111.512 v 数据分析： 利用最小二乘法拟合直线：Y=0.18X-0.85，可以看出电压与位 移成线性关系 1.X=7.

9、0 时， Y=0.41, Y*=0.40, Y=-0.01 2.X=9.0 时， Y=0.77, Y*=0.77, Y=0 3.X=10.0 时，Y=0.95, Y*=0.96, Y=0.01 4.X=12.5 时，Y=1.40, Y*=1.42, Y=0.02 5.X=13.0 时，Y=1.51, Y*=1.50, Y=-0.01 1=|Y/YM/|=|-0.01/1.4|=0.714% 2=0 3=|Y/YM/|=0.714% 4=|Y/YM/|=1.428% 5=|Y/YM/|=0.714% Y：拟合直线计算值 Y*：拟合直线实际值 Y：误差 ：仪表误差 四课程设计心得四课程设计心得 完

10、成课题的选定后，随之而来的问题却远比我们想想的要困难的多。作为 一个团队，分工就显得尤为重要，完成了初步的工作后，来到了实验室准备调 试，但第一次调试的结果就不是很理想，于是我们反复的分析和修改，还对电 路模块进行了修改，经过一次次的尝试之后我们把问题慢慢的解决了，然后我 们就针对这部分模块进行了深入思索和修改,才能完成这次的课程设计! 在做本次课程设计的过程中。印象最深的当属查阅大量的设计资料了。为 了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。我们一切都 要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设 计。 最后，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用传感 器的结构有一个系统的了解，知道该传感器内有哪些资源，要有一个清晰的思 想和一个完整的设计流程图； 另外，这次课程设计让我感到了团队合作的重