电容式位移传感器的设计
电容式传感器(传感器理论设计方案及应用)
54—6 电容式传感器的应用由于电子技术的发展，成功的解决了电容式传感器存在的技术问题，为电容式传感器的应用开辟了广阔前景。
它不但广泛地用于精确测量位移、厚度、角度、振动等机械量，还用于测量力、压力、差压、流星、成分、被位等参数。
下面就其主要应用作简单介绍。
一、电容式差压变送器电容式差压变送器是70年代的新产品，它具有结构简单、小型轻量、精度高(可达o．25％)、互换性强等优点。
目前已广泛应用于工业生产中。
该变送器具有如下特点：(1)变送器感压腔室内充灌了温度系数小、稳定性高的硅泊作为密封液；(2)为了使变送器获得良好的线性度，感压膜片采用张紧式结构；(3)变送器输出为标准电流信号，(4)动态响应时间一般为o．2—15s。
图4—29为电容式差压变送器的结构图。
图4—29(6)为二空结构的电容式楚压变送器，图中I、2为测量膜片(或隔离膜六J，它们与被测介质直接接触，3为感压膜片，此膜片在圆周方向张紧，1与3膜片间为·—室，2与3膜片间为另一室，故称为二室结构。
其中感压膜片为可动电极，并与固定电极4、5构成差动式球—平面型电容传感器(”I和c”。
固定球面电极是在绝缘体6上加工而成。
绝缘体一般采用玻璃或陶瓷，在它的表面上蒸镀一层金属膜(如铝)作为电权。
感压的挠曲变形，引起差动电容cL和c”变化，经测量电路将电容变化量转换成标准电流信号。
因4—29(6)为一室结构的电容式差压交道器。
图中1、2为测量膜片，它们与被测介质接触。
3为可动乎板电极，中心轴4把1、2、3连为一体，片簧5把可动电极在圆周方向张紧。
在绝缘体6上蒸镀金属层而构成固定电极7、8，并与可动电极构成平行扳式差动电容。
在可动电极与测量膜片间充满硅油作为密封刘，并有通道经节梳孔9将两电容连通，所以称为一室结构。
当两边被测压力不等时(严”＞PL)，测量膜通过中心轴推动可动电极移动，因而使差动电容cj和cX发生变化。
以下着重分析二室结构电容式差压变送器。
电容式传感器的位移实验
实验一电容式传感器的位移实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理：利用电容C＝εA／d和其它结构的关系式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）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。
本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。
设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πｘ／ln(R ／r)。
图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C=C1－C2=ε2π2∆X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)为常数，说明∆C与位移∆X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
三、需用器件与单元：主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验步骤：1、测微头的使用和安装参阅实验九。
按图1将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线(实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ)。
2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传３圈)。
3、将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到２ｖ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０ｖ，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△Ｘ=０.５ｍｍ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Ｘ—Ｖ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差)。
4、根据表1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。
实验完毕，关闭电源。
表1电容传感器位移与输出电压值。
电容式传感器的位移特性实验报告资料
电容式传感器的位移特性实验报告资料一、实验内容：1、使用电容式传感器进行位移测量；2、采用锁相放大器，对位移测量进行信号检测，输出交流（AC）信号幅度和相位；3、掌握电容式传感器的阻抗和信号特性。
二、实验原理：1、电容式传感器：是将测量物体与一个接地电极分离，形成一个独立的电容二极管。
当测量物体发生位移时，该二极管电容Cc变化，即Cc=f（d），d是测量位移。
在保持传感器静态工作点C0不变的情况下，当Cc发生变化时，不受测物位移的干扰。
因此，电容式传感器可以实现高精度、无接触、无磨损位移测量。
2、锁相放大器：是一种适用于相位、频率、振幅等参数检测的精密电子测量仪器。
它可以对微弱的交流信号检测并输出信号幅度和相位。
三、实验器材：2、锁相放大器；3、信号调理器；4、多路开关；5、示波器。
四、实验过程：1、在传感器静态工作点时，接触传感器，调整微调电容，使电压稳定在一个固定值；2、调整开关，将传感器所测量的位移信号输入信号调理器内，进行信号调理，可以得到一个幅度为1V、频率为10kHz左右、带有微弱噪声的交流信号；3、将调理后的信号连接至锁相放大器的输入端，将锁相放大器的参考输入端连接至信号调理器输出端，调节锁相放大器的参考信号相位，使锁相放大器输出的交流信号幅度和参考信号相位一致；4、通过示波器连接至锁相放大器输出端，调节示波器测量参数，可以得到锁相放大器输出信号的AC幅度和相位值；5、通过多路开关改变传感器输入的位移值，重复以上步骤，得到传感器的位移特性曲线。
五、实验结果：在不同的测量点进行测量，在锁相放大器中得到具有不同幅度和相位的AC信号，通过信号处理以及调制，最终得到有关电容式传感器位移特性曲线，从中发现电容性传感器在不同测量点上具有不同的灵敏度，以及对于位移值的反应截然不同，这也是电容式传感器的特点，需要在实际应用中进行合理的选择和设计。
六、实验分析：通过实验，我们发现电容式传感器的测量值和测量量并非简单的线性关系，仅仅是对于位移变化而产生的电容变化，同时也受到感应现象、环境噪声的影响。
电容式微位移传感器设计及其应用研究_孙立宁
2005年第24卷第10期 传感器技术(Jou rna l of T ransduce r Technology)电容式微位移传感器设计及其应用研究孙立宁,晏祖根(哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:介绍了基于误差补偿的机器人系统原理,采用等电位环和驱动屏蔽电缆技术,设计了电容式微位移传感器及其信号调理电路。
该电路包括改进型的电容运算放大器检测电路、精密全波整流电路和滤波电路等。
试验结果表明:该电容式传感器的分辨力优于0.1μm,全量程非线性度小于0.2%;利用该电容式传感器测试偏摆误差,并进行偏摆误差补偿,机器人的性能得到提高。
关键词:电容式传感器;信号调理电路;微位移测量;机器人中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1000-9787(2005)10-0013-03Design of capacit ance m i cro-d is p l ace m ent sensor and its applicati onSUN Li-ning,YAN Zu-gen(Rob otic Inst,H arb i n In st itu te of Techn ol ogy,H arb i n150001,Ch ina)Ab stract:T he principle o f t he robot sy ste m ba sed on erro r co m pensa tion is presented.The m icro-displace m en tcapacit ance sens o r and its si gna l conditioni ng circuit are desi gned by adopti ng equ i po t enti a l annulus techno logyand dr i v i ng cab le techno logy.Experi menta l re s u lts s how t ha t t he sensor’s non linearit y o f0.2%and reso l u tion o f0.1μm can be achieved.The dev i a tion of t he robo t sy st em is test ed and compensated u sing capacitance senso r,and t he perfor m ance o f the robot is i m proved.K ey word s:capacitance senso r;si gna l cond itioning c ircuit;m icro-displace m en tm easurem en t;robo t0 引 言随着机器人的广泛应用和发展,人们不断追求高速高精度、大行程机器人,基于伺服电机+滚珠丝杠驱动、光栅位置反馈的XY-T ab l e型机器人是其一种。
实验一 电容式传感器的位移实验
• 当被测参数变化使得S、 d或ε发生变化时，电容量 C 也随之变化。电容式传感器可分为变间隙（极 距）型、变面积型和变介电常数（介质）型三种。
变间隙（极距）型、变面积型和变介电常数（介质）型
(a)
(b)
(c)
(d)
2
(e)
1
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
（2）角位移型
• 当动极板产生角位移θ时, 与定极板间的有效覆盖面积改变, 两极板间的电容量改变。 θ
• 当θ=0 时,
0 r S0 C0 0
动极板
• 当θ≠0时, 则: 0 r S0 1 C C0 C0 0
定极板
பைடு நூலகம்
• 可见，电容的变化ΔC=-C0(θ/π)与角位移θ成线性关系。
此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式 传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。
• 灵敏度：
C C0 Sn d d 0
可见，要提高灵敏度，应减小 d0 。但 d0 过小，容 易引起电容器击穿或短路。
C C0 S 灵敏度： n d d0
上述等式成立的条件是：Δd/d0<<1时，高次项省略，若保 留二次项，则有： C d d (1 ) C0 d0 d0
变间隙（极距）型电容传感器
• 变极距型电容式传感器
• 当传感器的 εr 和S 为常数，初始极距为 d0时，可知
其初始电容量C0为
C0
量增大了ΔC，则有
0 r S
d0
• 若电容器极板间距离由初始值 d0 缩小了 Δd ，电容
位移传感器 大学物理实验
实验三十七 位移传感器实验实验目的1. 了解电容式传感器结构及其特点。
2. 了解霍尔效应及其霍尔位移传感器工作原理。
实验原理关于传感器的初步介绍请参见“应变片传感器”的相关内容。
位移传感器的功能在于把机械位移量转换成电信号。
根据不同的物理现象（或物理过程），可以设计不同类型的位移传感器。
本实验首先研究电容位移传感器，在研究与拓展部分再讨论霍尔位移传感器。
1. 电容式传感器基本原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器。
它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理：0r SS C ddεεε==（1）式中，S 为极板面积，d 为极板间距离， 为真空介电常数， 为介质相对介电常数。
可以看出：当被测物理量使S 、d 或 发生变化时，电容量C 随之发生改变。
如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。
本实验采用变面积式电容传感器。
变面积式电容传感器中，平板结构对极距特别敏感且边缘效应明显，测量精度容易受到影响，而圆柱形结构受极板间径向变化的影响很小，边缘效应很小，且理论上具有更好的线性关系（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多），因而成为实际工作中最常用的结构，如图1所示。
两只圆柱形电容器C 1、C 2共享一个内圆柱极板，当内极板随被测物体移动时，两只电容器C 1、C 2内外极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出；通过处理电路将差动电容的变化转换成电压变化，进行测量，就可以计算内极板的移动距离。
根据圆柱形电容器计算公式，线位移单组式的电容量C 在忽略边缘效应时为：212ln(/)l C r r πε=（2） 式中l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r 2、r 1——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
电容式传感器的位移实验
电容式传感器的位移实验一、实验目的了解电容式传感器结构及其特点。
二、实验内容电容传感器用于位移测量。
三、实验仪器电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。
四、实验原理利用平板电容C＝εA／d和其它结构的关系式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。
五、实验注意事项电容传感器两根黄色引线接电容模块插孔1、插孔2；黑色引线接插孔3。
六、实验步骤1、按图13－1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。
图13-1 电容传感器安装示意图2、按图13－2将电容传感器引线插头插入实验模板的插座中（电容传感器两根黄色引线接电容模块插孔1、插孔2；黑色引线接插孔3）。
图13－2 电容传感器实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vin相接（插入主控台Vin孔），RW调节到中间位置，显示选择置于“2V”档。
4、电容模块接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板至中间位置，使电压数显表显示为最小值。
6、根据上表数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
七、实验报告在实验报告中填写《实验报告十三》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题本实验中的电容传感器是什么结构？该结构有什么特点？答：电容传感器有三种结构1、变极距型：极板相对覆盖面积和介电常数不变，改变极距d。
可用于测量小位移。
2、变面积型：极距及介电常数不变，改变极板相对覆盖面积（覆盖长度或宽度）。
可用于测量较大线位移或角位移。
3、变介电常数型：极板相对覆盖面积和极板距离均不变，而改变介电常数ε。
常用于测量液位、材料的湿度或成分等的变化。
此实验中的电容传感器采用变面积型，动极板移动时，将会改变覆盖长度从而改变了面积，而且这种结构测量范围比较大。
简要说明电容式位移传感器的工作原理
简要说明电容式位移传感器的工作原理一、引言电容式位移传感器是一种常见的非接触式位移测量传感器，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业、医疗设备等领域。
本文将详细介绍电容式位移传感器的工作原理。
二、电容式位移传感器的基本结构电容式位移传感器由两个平行板组成，其中一个固定不动，另一个可以沿着垂直方向运动。
当被测物体发生位移时，可动平板也会随之运动，并改变两个平行板之间的距离。
这个距离变化会导致两个平行板之间的电容值发生变化。
三、电容式位移传感器的工作原理1. 电容量与距离的关系在理解电容式位移传感器的工作原理之前，先来了解一下电容量与距离之间的关系。
在真空中，两个平行板之间的电容量可以用以下公式表示：C = εA/d其中，C表示电容量；ε表示真空介质常数；A表示两个平行板面积；d表示两个平行板之间的距离。
根据这个公式可知，在其他条件不变时，两个平行板之间的距离越小，电容量就越大；反之亦然。
2. 电容式位移传感器的工作原理电容式位移传感器的工作原理基于上述公式，即通过改变两个平行板之间的距离来改变电容量。
当被测物体发生位移时，可动平板也会随之运动，并改变两个平行板之间的距离。
这个距离变化会导致两个平行板之间的电容值发生变化。
具体地说，当两个平行板之间没有被测物体时，它们之间的距离为d1，对应的电容值为C1。
当被测物体发生位移后，可动平板也会随之运动并靠近固定平板，此时它们之间的距离为d2（d2 < d1），对应的电容值为C2（C2 > C1）。
因此，通过测量电容值的变化可以得到被测物体发生位移的大小。
四、电容式位移传感器的优缺点1. 优点(1) 非接触式测量：与接触式传感器相比，不会对被测物体造成损伤或干扰。
(2) 高精度：由于其基本结构简单，可以实现高精度的位移测量。
(3) 宽测量范围：可根据需要进行设计和制造，适用于不同的测量范围。
2. 缺点(1) 受环境影响：电容式位移传感器的精度和稳定性受到环境因素的影响，如温度、湿度、电磁干扰等。
电容式位移传感器
29
（三）变介质型电容位移传感器
电容液位计
有液体介质后传感器的电容值为：
外筒内径 内筒外径
C
C0
2 ( 2
ln r2
- 1)
/ r1
h
传感器总高度 介质高度
C 2 ( 2 - 1) h
ln r2 / r1
变介质电容式液位传 感器
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
23
（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
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 S b0 0 0
l b0l0 0
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。
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
Ｃ２
片
ε
下静片
两定板和中间一块动板组成差动结构
32
电容测厚仪
11 1 1
C C1 C2 C3
C1
d
C2 δ
C3
C2
S
S
/
1 /
C2 S
1 1 C1 C3 01S / d1 01S / d 2 d / 0
C1 C3 C1C3 01S / d1*01S / d 2
电容位移传感器的
黑龙江大学本科生毕业论文论文题目：数字式电容位移传感器的研究与设计学院：电子工程年级：2007级专业：自动化姓名：李瑶学号：20075181指导教师：毛琳2011 年5 月7 日由于具有结构简单、动态特性好、能实现非接触式测量等优点，电容位移传感器广泛应用于超精密加工、高精度定位、超精密测量等领域。
现有电容位移传感器普遍采用测头与测量电路分立式设计，信号传输电缆的寄生电容等分布参数对传感器的分辨力、稳定性等性能影响显著，因此信号传输距离受到严重限制。
如何保证电容模拟信号传输的稳定性以及减少漂移，就成了影响电容传感器性能的关键。
为了完成对电容量的测量，本文设计了一个脉冲宽度调制电路，将电容量的变化转化为不同宽度的脉冲，然后用单片机的定时器功能检测出来并通过数码管显示出来。
再运用PROTEL99 SE将设计的电路制成电路板。
关键字电容；传感器；数字式；脉冲宽度调制；Protel99 SEWith the advantages of simple structure,dynamic characteristics and non-contact measurement,capacitance displacement sensor has been widely used in thedomains of precision machining,high precision orientation and ultra precisionmeasurement.The measuring circuit of capacitance displacement sensor is commonlyset out of the probe.So the parasitic capacitance of the cable influences theresolution and stability of the sensor.The signal transmission distance is severelyrestricted.Thereby how to ensure the stability of analog signals transmission andhow to reduce the zero drift,has become the key which influences the performanceof the capacitance sensor.To complete the measurement of electrical capacity, the paper designs a pulse width modulation circuit that changes the capacitance into a different pulse width which can be detected by MCU timer functions and displayed through digital tube. Then using PROTEL 99SE makes the design of the printed circuit board.KeywordsCapacitance;sensor;Digital;Pulse width modulation;Protel99 SE目录摘要 (I)Abstract (II)前言 (1)第 1 章数字式电容式位移测量仪的原理介绍 (2)1.1电容传感器的原理 (2)1.1.1变极距型电容传感器 (3)1.1.2变面积型电容传感器 (4)1.1.3电容式角位移传感器 (4)1.1.4变介电常数型电容式传感器 (5)1.2电容位移传感器测量方法对比 (6)1.2.1 运算放大器式电路 (7)1.2.2 差动脉冲调宽电路 (8)1.2.3调频电路 (10)1.2.4二极管双T型电路 (10)1.2.5 AC桥路式测量电路 (11)1.3电容式传感器的特点及发展趋势 (12)1.3.1电容传感器的特点 (12)1.3.2电容式传感器的发展方向 (14)第2 章数字式电容式位移测量仪的电路设计 (15)2.1测量电路的设计 (15)2.1.1单片机最小系统 (15)2.1.2 stc89c51引脚功能介绍 (16)2.1.3电平转换电路 (18)2.1.4按键及电源接口电路的设计 (19)2.2电容传感器的电路设计 (20)2.2.1检测电路的设计 (20)2.2.2 555定时器的介绍 (23)2.3显示电路的设计 (24)2.3.1 CD4511介绍 (25)2.4单片机软件设计 (26)第三章PROTEL 99SE制作电路板 (30)3.1 PROTEL99 SE (30)3.1.1 PROTEL99 SE简介 (30)3.1.2 Protel99 SE软件的一些使用方法 (30)3.1.3 PROTEL 99 SE软件的发展 (32)3.1.4 PROTEL99 SE软件特色 (32)3.2实际操作生成原理图 (33)3.2.1 新建原理图设计文件 (33)3.2.2 ERC 检测及元件清单生成 (34)3.3制作PCB 图 (35)3.3.1生成网络表 (35)3.3.2 网络表与元件的装入 (36)3.4 实际电路调试 (38)结论 (39)参考文献 (40)致谢 (42)前言位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。
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实验报告
电容式位移传感器的设计实验
一、实验目的：
设计电容式位移传感器，并用matlab仿真
二、设计思路
三、设计图与各部分封装图及相关数学模型
1、输入斜坡函数：
012345678910
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2、电路模块
a、电路部分物理图
线性微小变化输入 电容C的变化 电压的变化 调制
放大 解调 滤波 电压量输出
b、电路封装模块
c、数学模型
由电路基本知识可知：1oieedtRC
图中电容为变极距型电容sCdd
带入上式可得1oiiddeedtedtRCRs
令1/kRs则有()oiekddedt；d=0.05,k=0.02,ie为频率为100Hz
3、调制模块
调制模块封装图
调制函数相关参数设置：
4、放大模块
放大增益为10000
5、解调模块
解调函数相关参数设置
6、滤波模块
低通滤波器前置一个绝对值函数
相关参数设置
四、各部分仿真图
仿真时间设置为10s
1、通过电路后的输出图形
012345678910
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
x 10
-4
2、调制后的波形
012345678910
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
x 10
-4
3、经过放大后的波形
012345678910
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
4、解调后的波形
012345678910
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5、滤波后最终输出波形
012345678910
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
6、输入与输出的相关关系图（为近似拟合直线）