电容式位移传感器地设计

课程设计

设计名称: 电容式位移传感器的设计_

专业班级: __

姓名: ____________

学号: _________

指导教师: ______

xxxx年 xx 月

目录

一、设计要求………………………………………………………………

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二、电容传感器工作特性 (3)

三、电容传感器的优缺点 (3)

四、基本原理………………………………………………………………

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五、设计分析………………………………………………………………

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六、消除和减少寄生电容的影响 (5)

七、转换电路的设计 (6)

八、差动放大电路…………………………………………………………

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九、相敏检波器系统工作及原理 (9)

十、心得体会 (11)

十一、参考文献 (12)

十二、附录 (13)

1、设计要求：

设计差动变面积式电容位移传感器，要求规定的设计参数。

1、测量范围（mm）：0~±1mm；

2、线性度（%Fs）：0.5；

3、分辨率（μm）：0.01；

4、灵敏度（PF/mm）：

5、通过理论设计、结构设计、理论分析等过程设计传感器结构和测量电路，画出结构示意图和测量电路图，并进行参数计算。利用参数和结构来选择合理的方法消除或减少寄生电容的干扰影响。结合传感器实验平台，确定传感器的静态灵敏度和线性范围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。

2、电容传感器工作特性

电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。相对与其他传感器来说，电容式传感器的温度稳定性好，其结构简单，易于制造，易于保证高的精度，能在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强；它的静电引力小，动态响应好，可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等；它能够实现非接触测量，在被测件不能受力，或高速运动，或表面不连接，或表面不允许划伤等不允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务；当采用非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以减少工件表面粗糙度等对测量的影响。因其所需的输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、很小的加速度、位移等，由于在空气等介质中损耗小，采用差动结构并连接成桥式电路时产生的零点残余电压极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度，分辨力高，能敏感0.01μm至更小的位移。本课题采用差动变面积式电容位移传感器，线性的反映电容和位移的变化关系。

3、电容传感器的优缺点

优点：

1.其温度稳定性好:电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电机的几何尺寸和介质，且空气介质等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和结构尺寸即可，电容传感器工作室本身发热极小，影像稳定性甚微。

2.结构简单且适应性强：电容传感器的结构简单，易于保证高的精度。一般用金属做电极，无机材料做绝缘支架，可以做得非常小巧。在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下都能正常工作。

3.静电力小。忧郁极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引力或静电力矩。一般来说，这种景点引力是很小的，因此只有对推动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电考虑静电引力造成的测量误差。

4.动态响应好：由于极板间的静电引力小，需要的作用能亮极小，因此其固有频率很高，动态响应时间短.

5.可实现非接触测量并且有平均效应。在被测件不能受力或高速运动等不允许接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。

但是电容式传感器的一些缺点也是不可忽视的:

1.输出阻抗高并且负载能力差.电容式传感器的容量受其几何尺寸等限制，不易做的太大，使传感器的输出阻抗很高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取平屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗还要求传感器绝缘部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而映像仪器的性能，为此还要特别注意周围环境如湿度、清洁度等。

若采取高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，

且寄生电容影响大，不宜保证工作的稳定性。

2.寄生电容影响大：传感器的初始电容很小，而传感器的引线电缆电容（1~2m 导线电缆电容可达800pF）测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度，另一方面这些电容常常是随机变化的，使传感器工作不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有严格的要求，例如采取屏蔽性好、自身分布电容小的导线作为引线，引线粗而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等，否则不能保证高的测量精度。

4、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=ε2x／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=ε2 2∆X／ln(R／r)，式中ε2 、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。

5、设计分析

本文主要是设计差动变面积式电容位移传感器，以及测量电路的设计。利用电容式传感器非接触测量的特性，测量微小位移的变化，由于位移的变化引起电容的变化，将电容的变化量转换成电压的变化，由电压的变化测出位移的变化量。本设计主要目的是如何利用设计的差动变面积式位移传感器与转换原件，尽量消

除外界干扰引起的误差，高精度测出位移的变化量。