传感器设计

成都航空职业技术学院

航空制造工程系

传

感

器

设

计

本学期由于我们部分同学后半学期在厂顶岗实习，老师特安排我们自主设计一个传感器以报告的形式上交。经过我前半学期所学的传感器知识和我上网搜集资料我做了一下设计：本次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。

图1为差动式圆柱形电容传感器的原理简图，此传感器由三个圆柱形电容极板组成，中间为气体介质，两两构成电

容器。当中间的极板上下移动式，它与上下两个极板组成的电容器的面积就会改变，当中间电容极板向上移动时，与上边极板间面积增大，与下极板间面积减小；反之，当中间极板向下运动时，与上极板面积减小，与下极板间的面积增大。所以导致两个柱形电容总能保持一个增大一个减小的状态，由此构成了差动电容。

圆柱式电容的计算公式为C=2πεx/ ln(D/d)

式中：x为内、外电极重叠部分的长度；D、d分别为外电极内径与内电极外径。当重叠部分长度x发生变化时，电容的变化量为

灵敏度为K ΔC/Δx 2πε/ln(D/d)

设计一个圆柱式差动变面积电容位移传感器测量大位移，可以测量0~±1mm的距离，传感器由两组定片盒一组动片组成。当动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。将上层定片与动片形成的电容定位Cx1，下层定片与动片形成

的电容定为Cx2，当Cx1和Cx2 接入桥路作为相邻臂时，

桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与动片的位移有关。

1．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。

2.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。

3.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=ε 2 2∆X／ln(R／r)，式中ε 2 、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。

4.心得体会

本次课程设计中我遇到了许许多多我不能解决的问题，从而知道了对这方面知识的不足，也在网上查了不少资料，总的来说这次传感器设计还是加强了我对传感器的认识，更重要的是，它让我掌握了做设计应有的环节与步骤，真正提高了学以致用的能力。