电容式位移传感器1
实验一(电容式传感器的位移特性实验)
电容式传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理：利用平板电容C=εA/d和相应的结构及测量电路，在ε、A、d三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度(ε变)、测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。
利用电容传感器的动态响应特性和可以非接触测量等特点，可进行动态位移测量。
电容传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨力高（可达0.01mm甚至更高）、动态响应好、可进行非接触测量等特点，它可以测量线位移、角位移，高频振动振幅，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水份）、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。
目前半导体电容式压力传感器已在国内外研制成功，正在走向工业化应用。
三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤：1、按图2-1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。
图2-1 电容传感器安装示意图2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图2-2。
图2-2 电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元V i相接(插入主控箱V i孔)，R w调节到中间位置。
4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表2-1。
X(mm)V(mv)5、根据表2-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
五、思考题：图2－3为同心圆筒式电容位移传感器结构图，D为屏蔽套筒。
若外圆筒半径R=8mm，内圆柱半径r=7.25mm，外圆筒与内圆柱覆盖部分长度L=16mm。
根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量C O和移动0.5mm时的变化量。
图2－3 同心圆筒式电容位移传感器结构图如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！。
电容式物位计工作原理
电容式物位计工作原理
电容式物位计是一种基于电容原理的测量仪器，用于测量物体或介质的液位、固体物位或界面位置。
其工作原理是利用两个电极之间的电容变化来反映介质的物位变化。
该装置由测量电极和参考电极组成，通常将测量电极固定在容器壁上，并与介质直接接触，参考电极则可以放置在容器的远离测量电极的地方，或者设计为容器壁的一部分。
在工作时，测量电极通常会被提供一定的电流或电压以激活电路。
当介质的物位发生变化时，测量电极与参考电极之间的电容也会发生变化。
这是因为介质的物位变化会导致测量电极和参考电极之间的电容区域发生变化，从而导致总的电容值的变化。
电容式物位计通过测量电容的变化来确定物位的高度。
通常，电容式物位计通过测量电容的变化和参考电容来计算出介质的物位或界面位置。
这通常是通过测量电容与参考电容之间的差异来实现的。
为了准确地测量电容的变化，电容式物位计通常会校准和校正仪器。
校准可以根据具体的介质和测量要求进行调整，以确保测量的准确性和可靠性。
电容式物位计具有可广泛应用的优点，能够适用于不同介质、不同容器形状和尺寸的物位测量。
它们在工业过程控制和仪表
化系统中得到广泛使用，帮助监测和控制液位或物位变化，保证生产的安全性和效率。
位移传感器的工作原理
位移传感器的工作原理一、引言位移传感器是一种用于测量物体位移或者位置的设备，广泛应用于工业自动化、机械创造、航空航天等领域。
本文将详细介绍位移传感器的工作原理。
二、工作原理位移传感器的工作原理基于不同的物理原理，常见的包括电容式、电感式、光电式、压阻式等。
以下将分别介绍这些工作原理。
1. 电容式位移传感器电容式位移传感器利用电容的变化来测量位移。
它由两个电极组成，当物体挨近或者远离电极时，电容值会发生变化。
通过测量电容值的变化，可以确定物体的位移。
2. 电感式位移传感器电感式位移传感器利用电感的变化来测量位移。
它由线圈和铁芯组成，当物体挨近或者远离线圈时，线圈的电感值会发生变化。
通过测量电感值的变化，可以确定物体的位移。
3. 光电式位移传感器光电式位移传感器利用光的变化来测量位移。
它由光源、光电二极管和接收器组成，当物体挨近或者远离光电二极管时，接收器接收到的光信号强度会发生变化。
通过测量光信号强度的变化，可以确定物体的位移。
4. 压阻式位移传感器压阻式位移传感器利用电阻的变化来测量位移。
它由导电材料和弹性体组成，当物体施加压力或者位移时，导电材料的电阻值会发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以确定物体的位移。
三、优缺点分析不同类型的位移传感器具有各自的优缺点，下面将对其进行分析。
1. 电容式位移传感器的优缺点优点：测量范围广、精度高、响应速度快、抗干扰能力强。
缺点：对环境温度和湿度敏感，价格较高。
2. 电感式位移传感器的优缺点优点：测量范围广、精度高、抗干扰能力强。
缺点：响应速度较慢，对温度变化敏感。
3. 光电式位移传感器的优缺点优点：测量范围广、精度高、响应速度快。
缺点：对光照强度和环境温度敏感。
4. 压阻式位移传感器的优缺点优点：价格低廉、结构简单、抗震动能力强。
缺点：测量范围较窄、精度较低。
四、应用领域位移传感器广泛应用于各个领域，以下列举几个常见的应用领域。
1. 工业自动化位移传感器在工业自动化中用于测量机械设备的位移、位置和变形，实现对设备运行状态的监测和控制。
电容式位移传感器1
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。
0
1
0
0
（3 3）
当 / 0 1时，
C C0
0
1
0
0
2
0
3
......
（3 4）
略去高次项，得：
C
C0 0
（3 5）
图5 直线位移式
Cx
C0
C
ba
x
C0
1
x a
C x 线性关系
C0 a
（3 14）
2.3 变介电常数型电容传感器
单组式平板形厚度传感器
图6 厚度传感器
图7 厚度传感器的等效电路
设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测 物的厚度和它的介电常数分别为δx和ε ,则
C2 C0 C
S
C01
1
0 0
当 / 0 1时，
C1 C01
0
0
2
0
3
......
C2
C01
一种新型电容式位移传感器电路设计
一种新型电容式位移传感器电路设计随着科技的不断进步，电容式位移传感器正被越来越广泛地应用于各种领域，如机械制造、汽车工业、医疗器械等。
本文将介绍一种新型的电容式位移传感器电路设计。
在传统的电容式位移传感器电路中，通常采用了电容变化量与位移之间的线性关系来实现位移测量。
然而，线性关系往往无法完全精确，且传感器精度受温度、湿度等环境因素的影响较大。
为了提高传感器的精度和稳定性，我们设计了一种新型的电容式位移传感器电路。
该电路采用了微处理器和电容变化量的比较器，通过对电容变化量的实时测量和分析，实现对位移的准确测量。
该电路的设计如下：1.传感器结构：传感器由两个金属片组成，分别固定在测量物体和静态基座上。
当测量物体发生位移时，测量物体金属片与静态基座金属片之间的电容值发生变化。
2.接口电路：传感器的金属片与电容检测电路相连接，形成一个电容。
3.电容检测电路：该电路由微处理器和电容变化量的比较器组成。
微处理器用于对电容变化量的实时测量和分析，电容变化量的比较器用于判断位移的正负，并输出相应的信号。
4.微处理器：微处理器是电路的核心部分，负责对电容变化量的测量和分析。
它通过检测电容值的变化来确定位移的大小，并将结果输出给用户。
5.电容变化量的比较器：该比较器用于判断位移的正负，并输出相应的信号。
当位移为正时，比较器输出高电平；当位移为负时，比较器输出低电平。
6.供电电路：为了保证电路的正常工作，需要为电路提供稳定的电源。
7.输出接口：通过输出端口将测量结果传输给用户，用户可以根据测量结果做出相应的操作。
通过该新型的电容式位移传感器电路设计，我们可以大大提高传感器的精度和稳定性。
该电路具有较高的测量精度和抗干扰能力，能够准确测量位移并输出相应的信号。
同时，该电路具有较低的功耗和小尺寸，适用于各种场合的位移测量。
总之，本文介绍的新型电容式位移传感器电路设计，通过引入微处理器和电容变化量的比较器，实现了对位移的准确测量。
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理电容式传感器是一种常用的传感器，它利用电容的变化来实现对物体的测量和检测。
在电容式传感器中，电容的变化与物体的位置、形状、介电常数等因素有关，因此可以应用于各种测量场合。
下面我们将详细介绍电容式传感器的工作原理。
首先，电容式传感器由两个电极构成，它们之间的空间形成一个电容。
当有物体靠近电容式传感器时，物体的介电常数会影响电容的数值，从而引起电容的变化。
这种变化可以通过电路进行测量和分析，从而得到物体的位置、形状等信息。
其次，电容式传感器的工作原理基于电容的计算公式，C=ε0εrA/d，其中C为电容的数值，ε0为真空中的介电常数，εr为物体的相对介电常数，A为电极的面积，d为电极之间的距离。
根据这个公式，我们可以看到电容式传感器的变化与物体的介电常数、电极的面积和距离等因素有关。
另外，电容式传感器还可以利用电容的变化来实现非接触式的测量。
由于电容式传感器不需要与物体直接接触，因此可以避免对物体造成损伤，并且可以应用于一些特殊的测量场合。
此外，电容式传感器还可以通过改变电极的布局和结构来实现不同的测量要求。
例如，可以采用平行板电容的结构来实现对平面物体的测量，也可以采用圆形电极的结构来实现对球形物体的测量。
最后，电容式传感器的工作原理还可以应用于一些特殊的领域。
例如，在微机电系统（MEMS）中，电容式传感器可以实现对微小物体的测量，从而应用于微型加速度计、压力传感器等领域。
总的来说，电容式传感器的工作原理是基于电容的变化来实现对物体的测量和检测。
它具有测量精度高、非接触式测量、结构灵活等优点，因此在工业控制、医疗诊断、环境监测等领域有着广泛的应用前景。
希望通过本文的介绍，读者对电容式传感器的工作原理有了更深入的理解。
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。
传感器原理及应用第三版王化祥张淑英天津大学课后答案1
传感器技术习题解答【完善版by在水一方】第一章传感器的一般特性1-6题1－1：答：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性；其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。
1－2：答：（1）动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性；（2）描述动态特性的指标：对一阶传感器：时间常数对二阶传感器：固有频率、阻尼比。
1－3：答：传感器的精度等级是允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数，即A＝ΔA/Y FS＊100％1－4；答：（1）：传感器标定曲线与拟合直线的最大偏差与满量程输出值的百分比叫传感器的线性度；（2）拟合直线的常用求法有：端基法和最小二乘法。
1－5：答：由一阶传感器频率传递函数w(jw)=K/(1+jωτ),确定输出信号失真、测量结果在所要求精度的工作段，即由B/A=K/(1+(ωτ)2)1/2,从而确定ω，进而求出f=ω/(2π).1－6：答：若某传感器的位移特性曲线方程为y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+…….让另一传感器感受相反方向的位移，其特性曲线方程为y2=a0－a1x＋a2x2－a3x3＋……，则Δy=y1－y2=2(a1x+a3x3+ a5x5……),这种方法称为差动测量法。
其特点输出信号中没有偶次项，从而使线性范围增大，减小了非线性误差，灵敏度也提高了一倍，也消除了零点误差。
1－7：解：Y FS=200-0=200由A=ΔA/Y FS＊100％有A＝4/200＊100％＝2％。
精度特级为2.5级。
1－8：解：根据精度定义表达式：A＝ΔA/Ay FS*100%,由题意可知：A＝1.5％，Y FS＝100所以ΔA＝A Y FS＝1.5因为 1.4＜1.5所以合格。
1－9：解：Δhmax＝103－98＝5Y FS＝250－0＝250故δH＝Δhmax/Y FS*100%＝2%故此在该点的迟滞是2％。
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ab
x
0
x
（ 3 15 ）
单组式平板形线位移传感器
图8 线位移传感器
图9 线位移传感器等效电路
设极板宽度为b，板间无介质ε2 时，传感器的电容量为：
C0 1 bl d1 d 2 （ 3 16 ）
插入介质ε2 后的电容量为：
C C A C B Biblioteka x3 0 0 02
100 %
（ 3 11）
减小
灵敏度：
K
C
2
C0
（ 3 12 ）
提高一倍
0
2.2
变面积型电容传感器 角位移变面积型
当 0，
C0
S
θ
动片
当 0，
S 1
（ 3 13 ）
C C 0 C
r
≈1。
当被测参数变化使得式（3-1）中的S,δ或ε发生
变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参
数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变
化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为
电量输出。
2 . 电容式传感器的类型和特性
以电容器为敏感元件，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。
(3 - 22)
如果传感器是一只平板电容, 则Cx =εA/d, 代入式(3 - 22), 有
U
0
U
c
i
A
d
(3 - 23)
U 式中“-”号表示输出电压 0 的相位与电源电压反相。 式
（3 - 23）说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性 关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感 器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度, 还 要求电源电压 1 的幅值和固定电容C值稳定。 U
电容的相对变化量为：
C C0
1
0
0
（ 3 3）
0
当 / 0 1时，
2 3 C ...... 1 C0 0 0 0 0
图10 调频测量电路原理框图
图 10 中调频振荡器的振荡频率为
f 1 2 ( LC )
1 2
(3 - 19)
式中: L——振荡回路的电感;
C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0±ΔC。 其中,
C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容;
C0±ΔC为传感器的电容。
当被测信号为0时, ΔC =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡 器有一个固有频率f0,
0
0 rS
2 0
2 0
（ 3 7）
传感器的灵敏度为：
K C
0 rS
2 0
1
2 0
（ 3 7）
差动式变间隙型电容传感器 初始位置时，
1 2
0
C0
S
0
动极板上移：
1 0 , 2 0
S
电容式位移传感器
一、 电容式传感器的工作原理及特性
1.基本工作原理
平行极板电容器的电容量为：
C
S
0 r S
（ 3 1）
S ——极板的遮盖面积，单位为m2；
ε ——极板间介质的介电系数； δ ——两平行极板间的距离，单位为m； ε 0 ——真空的介电常数，ε 0 =8.854×10-12 F/m； ε r ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，ε
电 容式传感器
变间隙型
变面积型
变介质型
2.1 变极距型电容传感器
图1 变极距型电容传感器
设动片未移动时极板间距为δ0 S 初始电容量为： C0 0 下极板上移：
C
S 0
S
0
S
0
0
C0
0
（ 3 2）
的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放
大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。 1、 调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一
部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率 就发生变化。
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。
x C 0 1 a （ 3 14 ）
C C0
x a
线性关系
2.3 变介电常数型电容传感器
单组式平板形厚度传感器
图6 厚度传感器
图7 厚度传感器的等效电路
设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测 物的厚度和它的介电常数分别为δx和ε ,则
C C1 C 2 C 3
1
f0=
2 [( C 1 C 2 C 0 ) L ]
1 2
(3 - 20)
当被测信号不为 0 时, ΔC≠0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为
f 1 2 [( c1 c 2 c 0 ) L ]
1 2
f0 f
(3 - 21)
调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至 0.01 μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和 与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测 遥控。
定片
C 0 1
C C0
图4 角位移式
显然：电容Cθ 与角位移θ 呈线性关系。
板状线位移变面积型
当其中一个极板发生x位移后， 改变了两极板间的遮盖面积S ， 电容量C同样随之变化。
图5 直线位移式
C x C 0 C
b a x
图2 差动式变间隙型
1
C 1 C 0 C C 0 1 0 0
C 2 C 0 C C 0 1 0 0
S
1
当 / 0 1时，
C 1 C 0 1 ...... 0 0 0
电容量的相对变化为 ：
C C0 2 4 2 （ ） （ ） （ 3 9） 1 0 0 0
C C0 2
略去高次项：
（ 3 10 ）
0
非线性误差为：
r
100 %
1 d1
1
d2
b l x
1 d1 d2
（ 3 17 ）
2
1
所以 C
C0C0
x
1
1 2 1 2
（ 3 18 ）
l d1 d2
该式表明：电容量C与位移x成线性关系。
二、 电容式传感器的测量电路
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这 样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很 难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于测量电路 检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系
2、 运算放大器式电路
图11 运算放大器电路原理图
运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。 运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理 想的测量电路。 图 11是运算放大器式电路原理图。Cx 为电容 式传感器, 是交流电源电压, 是输出信号电压, Σ是虚地 U0 Ui 点。 由运算放大器工作原理可得
2 3
C 2 C 0 1 ...... 0 0 0
2 3
3 C C 1 C 2 C 02 2 ...... （ 3 8） 0 0
（ 3 4）
略去高次项，得：
C C0
（ 3 5）
0
所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足 Δδ<<δ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。
非线性误差与Δ δ /δ 0有关。其表达式为：
（ r
0
）
K
2
0
C
100 %
1
（ 3 6）