位移检测传感器之电容式
7 电容式传感器位移特性实验
二、圆柱形差动结构的电容式传感器
设圆筒的半径为r1，圆柱的半径为r2，圆柱的 长为x，则电容： 2πεx 2 c c x ln r1 r2 lnr1 r2
本实验电容器由两个圆筒和一个圆柱组成的。
2 2x C1、C2差动连接时 c ln r1 r2
C ∝x，配上测量电路，建立U∝ x，就能测量位移。 电容传感器的电容值非常微小，必须借助于测量电路， 将其转换成电压、电流、频率信号等电量来表示电容值的 大小。
电容式传感器的位移特性实验
实验目的
了解电容式传感器的结构及其特点。 了解电容式传感器测位移的原理
非电量 敏感元件
电参数 转换电路
电压或电流
实验原理
一、电容式传感器 1、定义 以电容为敏感原件，将机械位移量转换为电容量 变化的传感器称为电容式传感器。 2、分类 利用电容C=εs/d，通常将电容式传感器分为变 面积型、变介质型和变间隙型三种。 变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏 感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变 化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，因而 成为实际中最常用的电容式传感器。
反方向每转动测微头1圈(△x=0.5mm) 读1次电压表读 数，记录10组数据)，将数据填入表1并作出Ｖ—x曲线。 表1 电容传感器位置与输出电压值 X(mm) V(mV) 4、计算电容式传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。
电容式传感器测位移实验
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。
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 内筒可动
差动电容式传感器结构图
二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
电容式位移传感器原理
电容式位移传感器原理嘿，咱今儿来聊聊电容式位移传感器原理。
你说这玩意儿神奇不神奇？就好像是一个超级敏感的小侦探，能精准地感知物体的位移呢！想象一下啊，电容就像是两个好朋友，它们之间的距离和关系那可是相当重要。
电容式位移传感器就是利用电容的这个特性来工作的。
咱先来说说电容是咋回事儿。
它就好比是一个能储存电荷的小仓库，这仓库的大小和里面东西的多少是有关联的哦。
当有个物体在它附近动来动去的时候，就像是有人在这个小仓库周围晃悠，会影响到仓库的状态。
电容式位移传感器就是抓住了这个变化。
它可机灵了呢，一点点微小的位移都能察觉到。
就好像你脸上多了一颗小痘痘，它都能马上发现，是不是很厉害？它的工作原理呢，其实也不难理解。
传感器里面有两个电极，一个固定，一个可以随着要测量的位移而动。
这不就跟咱走路似的，一个人站在原地不动，另一个人走来走去。
当那个走动的电极动起来的时候，电容就发生变化啦！这变化就像是给传感器发出了信号，告诉它：“嘿，有情况啦！”而且哦，这电容式位移传感器的应用那可太广泛啦！在好多领域都能看到它的身影呢。
比如说在工业生产中，它能精确地测量机器零件的位移，确保生产的质量和精度。
这就好比是一个严格的监工，时刻盯着生产线上的一举一动。
在科学研究中，它也是个大功臣呢！能帮助科学家们获取各种精确的数据，为科学的进步贡献力量。
这就好像是给科学家们配上了一双超级敏锐的眼睛，能看到那些细微的变化。
咱平时生活中也有它的用武之地呀！说不定你家里的某个电器里就有它在默默工作呢。
你说这电容式位移传感器是不是很了不起？它虽然小小的，但是作用却大大的！它就像是一个隐藏在幕后的英雄，默默地为我们的生活和工作提供着保障。
所以啊，可别小瞧了这些科技小玩意儿，它们的本事可大着呢！咱得好好感谢这些聪明的科学家们，是他们让这些神奇的技术走进了我们的生活。
让我们能享受到这么多便利和精确的测量。
不是吗？。
利用电容式位移传感器测量物体位移的实验步骤
利用电容式位移传感器测量物体位移的实验步骤引言：近年来，随着科技的不断进步和应用的广泛发展，利用电容式位移传感器测量物体位移的技术在各个领域得到了广泛应用。
它通过测量电容的变化来获取物体的位移信息，具有高精度、快速响应和可靠性强的特点。
本文将介绍利用电容式位移传感器测量物体位移的实验步骤。
实验材料：1. 电容式位移传感器2. 电容检测电路3. 定位台4. 信号处理器5. 示波器6. 可变电源7. 实验样品实验步骤：步骤一：搭建实验装置首先，将定位台放在水平平稳的台面上，并调整好水平，保证测量的准确性。
然后将电容式位移传感器放置在定位台上，并通过螺丝固定好。
将电容式位移传感器的输出端与电容检测电路相连，再将电容检测电路的输出端连接到信号处理器以及示波器。
步骤二：调整实验参数将可变电源连接到电容检测电路上，根据实验要求设置适当的电压值。
在信号处理器上设置适当的增益和滤波参数，以保证得到清晰、稳定的测量信号。
此外，还需根据实验需求选择合适的采样频率和触发方式。
步骤三：校准电容式位移传感器在进行实际测量之前，需要对电容式位移传感器进行校准。
首先，将实验样品放置在传感器下方，并确保测量范围内没有其他物体干扰。
然后，调整电容检测电路输出的直流电压，使得示波器显示出零位的电压。
此时，可以将样品从初始位置移动到期望的位置，记录示波器上的实时电压。
步骤四：实际测量位移将实验样品放置在传感器下方，并通过定位台调节位置，使样品位于测量范围内。
在示波器上观察传感器输出的电压信号，并记录下对应的位置。
可以通过移动样品，观察位置与电压变化的关系，并得到物体位移曲线。
通过调整实验参数和测量范围，可以得到不同精度和范围的位移测量结果。
步骤五：数据处理与分析将实验测得的位移数据导入计算机，并利用相应的数据处理软件进行处理和分析。
可以通过拟合曲线，求解出位移与电压的数学模型，并计算出位移的准确值。
此外，还可以进行误差分析和精度评价，探究实验结果的可靠性和偏差大小。
电容式传感器测位移.
班级：12121202
学 号：201220120214
2.3 测试方法5
一．电容式传感器
1.1
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=εA/d关系通过相应的结构和测量电路可以选择ε,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（ε变）,测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容式传感器。
1.3电容式传感器的优缺点及一些特殊问题
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（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。
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δ。
三.数据及分析：
x
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
v
0.5
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）
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
C=Ɛ /d = /d
式中，
电容式传感器测位移特性实验
电容式传感器测位移特性实验电容式传感器是一种常用的位移传感器，采用电容式将小的位移量变化，转变成模拟电压来发送，以实现检测和测量的目的，其具有快速响应、高精度和反应稳定的特点，被广泛应用到航空、航天、工业控制仪表等领域。
本实验将通过实验设备进行测量电容式传感器的位移特性，以更加深入的了解电容式传感器的工作特性。
实验装置是一台专业的电容测试仪，此外还配有一个线性位移模拟器、一个电容式传感器、一些实验电缆和接口线等辅助设备。
实验可分为三个步骤：绘制拟合曲线前的实验前准备工作、将电容式传感器的位移信号变为模拟电压的转换过程以及拟合测得的曲线。
1、实验前准备工作：首先，将位移模拟器接线连接到实验装置；随后，将电容式传感器接入实验装置，并将电容传感器安装在位移模拟器上；最后，调节电容测试仪偏置电路，矫正偏置电压，以设定有效位移信号范围。
2、将电容式传感器的位移信号变为模拟电压的转换过程：在实验中，将位移模拟器的调置电位从最小值（0mm）调至最大值（50mm），从而控制位移模拟器产生不同的位移量。
每次顺序调节时，实验装置将其位移量所产生的信号作为输入，经过转换后将电容式传感器的位移信号变成一定失真程度的模拟电压信号，从而可进行数据获取。
3、拟合测得的曲线：由于电容式传感器的反应特性的确定，在本实验中选择了一种标准的二次曲线进行拟合，以便更好地了解其工作原理。
在拟合曲线以及拟合曲线的过程中，采用的是软件的拟合算法，计算出最佳的参数并绘制拟合曲线。
实验结果表明，本次实验证明了电容式传感器位移特性测试实验使用电容式传感器和实验装置进行测量均具有可行性和准确性，为此类传感器的应用提供了足够的参考。
此外，本次实验也体现了软件算法拟合准确性以及实验数据在绘制曲线过程中的重要性等。
电容式传感器
电容式传感器简介capacitive type transducer把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。
若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。
δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。
因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。
极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
电容式传感器工作原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2∏eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。
在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。
电容式传感器优缺点电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。
缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。
电容式位移传感器作用
电容式位移传感器作用
电容式位移传感器是一种用于测量物体位移的传感器。
它的作用是通过测量物体与传感器之间的电容变化来确定物体的位移。
当物体移动时，它会改变与传感器之间的电容距离，从而导致电容值的变化。
传感器会将这种电容变化转换成电信号，然后输出给相应的测量设备或控制系统。
电容式位移传感器的作用包括但不限于以下几个方面：
1. 位移测量，通过测量物体与传感器之间的电容变化，可以精确地测量物体的位移，包括线性位移和角位移。
2. 控制系统，电容式位移传感器可以将位移转换成电信号，用于控制系统对物体进行精确的控制，例如自动化生产线上的定位控制和机器人的运动控制等。
3. 监测和安全，在工程和机械设备中，电容式位移传感器可以用于监测物体的位移变化，以确保设备运行在安全范围内，并在必要时触发安全保护措施。
4. 自动化测量，电容式位移传感器可以与自动化测量设备结合
使用，用于工程测量、材料测试和科学研究等领域，提高测量精度
和效率。
总的来说，电容式位移传感器的作用是通过测量物体与传感器
之间的电容变化，实现对物体位移的精确测量和控制，从而在工程、科学研究和工业生产等领域发挥重要作用。
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——由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在 高频范围内工作。
——电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造 成测量误差。
位移检测传感器之电容式
6
（一）变极距型电容位移传感器
基本工作原理
0
当动极板移动△L后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改 变，其值为
C 0 Sb 0 0 lb 0 l0 0 l0 lC 0 l0 l
则有：
C l C 0 l0
可见，电容相对变化量与水平位移是线性关系
灵敏度为：
K C C0
l l 位移检测传感器之电容式 0
25
（2）角位移型
0，
S
C0
当有效覆盖从S0 变至 S，则
C S 0 0S 0 (S 00 S) 0 S
可见ΔS与ΔC的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数：
K C S 0
可见，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即
输出与输入呈线形关系
位移检测传感器之电容式
24
（1）线位移型
l
动极板
b0
图中所示线位移式传感器：
固定极板
l0
θ 定片
当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就 发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容 值为
动片
C 0，C0CS(1)C0(1) （b）角位移式
当动极板上移，极距δ0减小△δ，传感器的电容量
电容增量：
S
C
0
CCC00SS0 S0 0
C00C位0移1检 测传 感器/之/电0容0式
9
当/01时，
略去高次非线性项，得电容的相对变化量为：
C
C0 0
传感器的灵敏度为：
KCC0
0
0S2
位移检测传感器之电容式
10
非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为：
——变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：具
有比较好的线性，但灵位敏移检度测传比感器较之电低容式。
5
3、 电容式位移传感器的使用方式
——封闭形式下使用 ——开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（当被
测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质 （当被测对象为绝缘体时）
4、 电容式位移传感器的特点
Ｃ２
片
ε
下静片
两定板和中间一块动板组成差动结构
位移检测传感器之电容式Fra bibliotek13差动式变间隙型电容传感器
定极板 动极板
定极板
C1 δ1 C2 δ2
位移检测传感器之电容式
14
差动式电容位移传感器
——把电容位移传感器连接成差动形式，当 中间活动极板移动时，一边电容增加，另一 边电容减小，总的电容变化为两者的代数和。 这样不仅提高灵敏度，同时使在零点附近工 作的线性度也得到了改善。
位移检测传感器之电容式
15
初始位置时，
120
S ,C00
动极板上移时：
1 0 ,2 0
C 1C 0C0 S C 0 1 0 1
C 2C 0C0 S C 0 1 0 1
位移检测传感器之电容式
16
当/01时，
C1C01 0 02 03..
..
..
C2C01 0 02 03..
第二章 位移检测传感器 电容式位移传感器
2——6分 填空，选择，问答
位移检测传感器之电容式
1
电容式位移传感器：是利用电 容量的变化来测量线位移或角 位移的装置。
位移检测传感器之电容式
2
1、 电容式位移传感器工作原理
CS 0rS
δ
S ε
S ——极板间的覆盖面积（m2）； δ——极板间距离（m)； εr——极板间介质的相对介电常数；在空气中εr=1
根据不同需要采用平板型极板、圆筒型极板或锯齿型极板 这类传感器输入/输出具有线性特性
位移检测传感器之电容式
21
变面积型
δ a
b
x
（a）直线位移式
位移检测传感器之电容式
22
变面积型
(b)角位位移移检测传变感器之面电容积式 型
23
工作原理：
动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引 起电容C发生变化。
...
.
位移检测传感器之电容式
17
位移检测传感器之电容式
18
非线性误差为：
r
3 0
0
100%
0
2 100%
非线性误差减小
（3 11）
位移检测传感器之电容式
19
5月2日第二大节结束
位移检测传感器之电容式
20
（二）变面积型电容位移传感器
变面积型电容位移传感器可用于线位移测量，也可用于角 位移测量。
c S
固定
固定
固定
S ，变
极距变化型
，变 S
面积
S ，变 介质
位移检测传感器之电容式
4
2、 电容式位移传感器的分类
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变 介质（变介电常数）型三种。
电容式传感器
变极距式
变面积式
变介质式
——变极距型电容位移传感器：具有较高的灵敏度、但电容 变化与极距变化之间为非线性关系。
ε0——真空介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m ； ε ——两极板间介质的介电常数。
位移检测传感器之电容式
0 r 3
1、 电容式位移传感器工作原理
由上式可知，电容量C是几何参数δ和S及介电常 数ε 的函数，任何一个参数发生变化时，都会引 起电容量的变化，如果保持其中两个参数不变， 而仅改变其中一个参数时，就可把该参数的变化 转换为电容量的变化，通过基本转换电路就可转 换为电量输出。
CS 0rS
定极板 极距
δ
动极板
S ε
由上式可知，电容量C 与极板间距δ成双曲线 关系，如右图所示
位移检测传感器之电容式
7
（一）变极距型电容位移传感器 基本工作原理
变极距型电容位移传感器
位移检测传感器之电容式
8
基本工作原理
设动极板未移动时极板间距（初始极距）为δ0
则初始电容量：
C0 S 0
位移检测传感器之电容式
11
变极距型电容位移传感器小结
—只能用于小位移测量，只有在小位移测量时，其灵敏度才为
常数（由上述分析可知，只有在Δδ/δ0 <<1的情况，电容随
极板间距离的变化才近似成线性关系）
——其灵敏度与初始极距δ0的平方成反比，故可通过减小初
始极距来要提高灵敏度。
——但当δ0 过小时，又容易引起击穿，或短路。同时加工
精度要求也高了。故一般在极板间采用高介电常数的材料如，
放置云母、塑料膜等介电常数高的物质作为介质。
——存在线性误差，在实际应用中，为了提高灵敏度，减 小非线性，改善线性度，可采用差动式结构。
位移检测传感器之电容式
12
双板式差动电容器 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。
上静片
δ１
Ｃ１
动
б２