传感器与检测技术

传感器与检测技术
题目：电容式位移传感器
指导教师：
班级：
学号：
姓名：
2012年7月5日
天津职业技术师范大学
课程设计任务书
机械工程学院班学生
课程设计课题：
电容式位移传感器
一、课程设计工作日自2012年 6 月 27 日至 2012 年 7 月 6 日
二、同组学生：
三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时间、主要参考资料等）：
设计目的
1、了解有关传感器的基础知识；
2、加深对电子电路方面知识的理解；
3、能够熟悉传感器的检测以及应用电路。

设计要求
1、利用电容式传感器实现对位移的测量；
2、选择合适的测量及转换电路；
3、画出该传感器测量位移的原理图；
4、说明该位移传感器的测量原理及测量过程；
5、简要分析你所设计的电容式位移传感器的特点。

在整个课程设计中我主要负责的部分是差动式变面积电容式位移传感器的转换电路和分析变面积的差动式电容位移传感器结构图。

指导教师签字：教研室主任签字：
1、引言
电容式传感器是将被测非电量（如尺寸、压力等）转换成电容量变化的一种传感器。

实际上传感器本身（或和被测量一起）就构成一个可变电容器。

其特点是漂移小、结构简单、动态响应快、分辨率高、工作可靠、易实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。

目前，电容传感器越来越广泛的被用于位移、震动、加速度、压力、压差、液位、料位、成分含量等方面的测量。

2、电容传感器的工作原理
由两块平行板组成一个电容器，若忽略边缘效应，其电容量为s
C d
ε=
式中，ε为电容极板间介电常数，，其中
为真空介电常数
（
F/m ）,为极板间的相对介电常数;S 为两平行板所覆盖的面
积，d 为两平行板之间的距离，由上式可得当S ，d 和ε中的任一一个参数发生变化时，电容量C 也随之发生变化，通过测量电路可以转化为电量输出。

因此，可以通过改变极距、面积来实现电容式传感器对 位移的测量。

由于变极距型电容传感器只能测量很小的位移，所以，该设计中采用变面积型电容传感器。

2.1 变面积型电容传感器
变面积型电容传感器原理图
如图所示为变面积型电容传感器原理图。

被测量变化导致动极板移动，引起两极板间有效覆盖面积S 的变化，从而得到电容量的变化。

当动极板相当于定极板沿着
长
度
方
向
平
移
时
，其电容变化量为
0000()r r r ab a x b b x
C C C d
d
d
εεεεεε-∆∆∆=-=
-
=
式中，00r ab C d
εε=
为初始电容；a 为极板长度；b 为极板宽度；为极板水平位
移。

由上式可见，C ∆与x ∆间成线性关系。

3、差动式变面积电容式位移传感器测量原理
为了改善传感器的非线性以及提高灵敏度通常采用差动式电容传感器，因此我们选用差动式变面积电容式位移传感器。

3.1差动式变面积电容传感器的工作原理图：
1、3固定极，2可动极
圆柱形电容器的电容量为：2ln(/)
l C R r πε=
其中，为外圆筒与内圆柱覆盖部分的
长度；R ，r 为外圆筒内半径和内圆柱外半径，即他们的工作半径。

3.2 工作原理：
当可动极2上下移动时，使其与固定极1、3的相对面积发生变化，假设2向上移动时则2与1的相对面积增加而2与3的相对面积减小，增加与减小的量相等，因此总电容变化量是上下两个电容变化量的和。

因此传感器的灵敏度提高
了二倍。

由公式可知：s
C d
ε=
2与1之间的电容为d
s s C )
(1∆+=
ε，d
s
C ∆=
∆ε1
2与3之间的电容为d
s s C )
(2∆-=ε，d
s
C ∆-
=∆ε2则电容的总的变化量为
=
∆C ∣1C ∆∣+∣2C ∆∣=d
s
∆ε2
因此电容总的变化量为单个的二倍。

由此可出
看出差动式变面积电容传感器的灵敏度是原来的二倍。

这样相比起来比其他传感器提高了灵敏度。

因此，采用差动式变面积型电容传感器。

4、差动式变面积电容式位移传感器的转换电路
电容式传感器把被测量(如尺寸、位移、压力等)转换成电路参数C 。

为了使信号能在传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制后，得到所需的测量结果或控制器某些设备工作，还需将电路参数C 进一步转换成电压或电流(电量参数)。

将电容量转换成电压(或电流)的电路称为电容传感器的转换电路。

它们的种类很多，目前常用的有电桥电路、运算放大器电路、调频电路、差动脉宽调制电路等。

运算放大器式电路
C
x 是传感器电容 C 是固定电容 是输出电压信号
将电容传感器接入运算放大器电路中，作为电路的反馈元件，如上图所示，图中C x 是传感器电容 ，C 是固定电容，是输出电压信号 ，在开环放大倍数为
A 和输入阻抗较大的情况下有
01/()1/()
x x
j C C u u u
j C C ωω=-
=-
( )/x C S d ε=
0 uC
u d
S
ε=-
式中，负号表示输出电压与电源电压U 反向。

结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性
假设放大器开环放大倍数A =∞，输入阻抗Z i =∞
因此仍然存在一定的非线性误差，
但一般A 和Z i 足够大，所以这种误差很小。

5.差动式变面积电容式位移传感器结构图
1、测杆
2、膜片 3和5、开槽弹簧 4、可动极板 6、插座 7、调力螺钉 8、测力弹簧 9、引线 10和11、固定极板
上图为变极筒面积的差动式电容位移传感器结构图。

它的固定极筒10和11与壳体绝缘，可动极筒4与测杆1固定在一起并彼此绝缘。

当被测物位移使测杆
1轴向移动时，可动极筒4与固定极筒10和11的覆盖面积随之改变，使电容量改变，一个变大，一个变小，他们的差值正比于位移。

开槽弹簧片3和5为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏行好，但形程小。

测力弹簧8保证动极筒4通过测杆1与被测物可靠接触，其测力可用调力螺钉7调节。

电容极筒都有引线9接至插座6，以供接入电路用。

膜片2作密封用，防止尘土计入传感器内。

6.差动式变面积电容式位移传感器的特点
1、采用差动式传感器可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的
影响和减小干扰。

2、温度稳定性好。

电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的
几何尺寸，且空气等介质损耗很小。

因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选用材料和结构尺寸即可，其他因素如自身发热极小，影响稳定性甚微。

3、结构简单，适应性强。

电容传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度。

4、动态响应好。

电容传感器除其固有频率很高，即动态响应时间很短外，又由
于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。

可用于测量高速变化的参数。

5、静电引力小。

静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有
关，一般来说，这种静电引力很小。

6、可实现非接触测量，具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影
响。

7.总结
一周的传感器课程设计结束了，这次的课程设计让我学到了许多课本上学不到的知识，使我真正的明白了书本中的知识的内涵。

一开始大家拿到任务后就积极地去图书馆查资料，设计中，我们按照任务书一步一步的分析，查资料，根据具体要求进行计算，也对课本有了更详细的阅读，并且在以后的学习和生活中我们可以灵活运用这些知识。

这次设计使我们弥补了平时理论知识的不足，它考验了我们的耐心和细心程度，这次设计对我们以后参加工作有着极其重要的意义。

8. 参考文献
[1]传感器与检测技术主编徐科军电子工业出版社
[2]传感器技术大全（下册）主编张红润北京航空航天大学出版社
[3]传感器原理与应用课程设计指南主编何金田、张斌哈尔滨工业大学出
版社
[4]传感器与应用电路设计主编赵继文科学出版社
[5]实用电子元器件与电路基础主编 [美] Paul Scherz 翻译夏建生
王仲奕电子工业出版社。