电容式位移传感器课程设计

摘要
差动式电容传感器灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效的改善高温等环境影响造成的误差，因而在许多测量场合中被广泛应用。

把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

本设计采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。

因此，本设计中采用了运算放大器，差分脉冲调宽型电路以及低通滤波器等电路设计，并对这些单元电路进行了原理分析，通过参数的确定，实现位移向电压的转变。

在本次设计中还涉及了寄生电容的消除，以及测量过程中的误差分析，从而保证了测量的精度和准确度。

一、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。

二、设计思路
电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。

其总体原理框图如图：
三、设计电路
3.1差动变面积电容传感器
由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容为
C=εS d
式中：ε—两个极板间介质的介电常数；
S—两个极板相对有效面积；
d—两个极板间的距离。

由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数ε；其二为改变形成电容的有效面积S；其三为改变两个极板间的距离d。

从而得到电参数的输出为电容值的增量∆C，这就组成了电容式传感器。

极距与电容成反比，
不适用与测位移，介电常数与电容呈线性相关，但介电常数不能用于测位移，面积与电容成线性相关，利用改变位移来改变面积，从而改变电容。

位移选择电容板的某边长，使得位移与面积成线性相关，即位移与电容成线性相关。

差动式电容传感器灵敏度高、稳定性高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效的改善高温等环境影响造成的误差，因而本实验采用差动式变面积结构的电容。

可以设置传感器为两组静态级片和一组动级片组成两个平板式变面积差动结构（两个平板是变面积电容变化量为∆C=∆C1-∆C2）
的电容位移传感器∆C=ε∆S
d。

3.2转换电路与低通滤波电路
本实验转换电路可选择差分脉冲调宽型电路，差分脉冲调宽型电路的重要优点就在于它的线性变换特性，是输入电压与输出电压成线性关系，其原理电路如图（1）所示。

其中低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。

由于电压很可能混有高频载波信号，所以需将其滤掉，这样就可以得到真正的反映原信号的直流输出。

对于变面积型差分式电容传感器来说，设初始面积为S0，变化量∆S，则滤波器输出为：
U̅=∆S
S0
U
3.3放大电路
放大电路可采用连接运算放大器的方法。

将运算放大器应用与电路的最大特点是能尽量克服电容式传感器中影响输出的非线性的因素，提高分辨率。

使输出信号能与输入机械位移成线性关系。

由于转换电路输出的电压非常小，数字电压表较难测得，所以在低通滤波电路之后需再在加入一个放大电路。

四、灵敏度与误差分析
假设板件只有一种介质，对单极式电容表达式为：C=εS
d
，其初始电容为C o=εS o
d o。

当极板面积有一个减量∆S时，则传感器电容为：
C=ε(S+∆S)
d
=C0+∆C
可得：
∆C=ε∆S
d
于是灵敏度为：
K=ε
d
可见，传感器的灵敏度为常数。

如果用一组差分式电容传感器，则其灵敏度变为K＇：
K＇=2·ε
d
可见，灵敏度提高了一倍，这就是采用差分石电容传感器的原因。

虽然变面积型电容传感器有很好的线性，但是这都是忽略边缘效应而得到的结论。

实际上，由于边缘效应引起漏电力线，导致极板间电场分布不均匀等因素，因此仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多，所以必须设法消除边缘效应对电容传感器的影响。

电容式传感器的初始电容量很小，一般在皮法级，而连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体构成的电容等所形成的寄生电容却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容是随机变化的，使得仪器工作很不稳定，从而影响测量精度，甚至使传感器无法正常工作，所以必须设法消除寄生电容对电容传感器的影响。

五、减小误差
5.1.消除或减小边缘效应
可以将电极放的极薄使与间距相比很小的方法来减小边缘效应，也可以在结构上增设等位环来消除边缘效应。

增设等位环法如图5-1所示。

等位环与电极2等电位，这样就能使电极2的边缘电子线平直，两电极间的电场基本均匀，而发散的边缘效应电场发生在等位环3的外周，不影响工作。

5.2. 消除或减小寄生电容
5.2.1.增加初始电容值法
采用增加初始电容值的方法可以使寄生电容相对电容传感器的电容量减小。

由公式C o=εS o
可知，采用减小极片或极筒间的间距d0，如平板式间距可减小为
d o
0.2毫米，圆筒式间距可减小为0.15毫米；或在两电极之间覆盖一层玻璃介质，用以提高相对介电常数，通过实验发现传感器的初始电容量C0不仅显著提高了，同时也防止了过载时两电极之间的短路；另外，增加工作面积A或工作长度也可增加初始电容值C0。

不过，这种方法要受到加工工艺和装配工艺、精度、示值范围、击穿电压等的限制，一般电容的变化值在10-3～103pF之间。

5.2.1.整体屏蔽法
屏蔽技术就是利用金属材料对于电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。

根据电磁干扰的特点选择良好的低电阻导电材料或导磁材料，构成合适的屏蔽体。

屏蔽体所起的作用好比是在一个等效电阻两端并联上一根短路线，当无用信号串入时直接通过短路线，对等效电阻无影响。

整体屏蔽法是解决电容传感器寄生电容问题的很好的方法，其缺点就是使得结构变得比较复杂。

六、实验测量及处理
6.1 电路总关系式
由于在电路中设计中，每一个环节都使输入与输出成线性关系，若位移在某合适范围内改变即电容在某范围内变化，则输出电压的变化量可表示为：
∆U=K•∆x
其中，电压的大小与电容的大小成线性关系。

K的大小与电容极板的面积、电容的介电常数、极距、放大器的放大倍数、滤波器的参数以及电路中其他的原件都有关系。

为确定K值的大小，可利用实验多次测量求斜率测的，并观察有较好线性关系对应位移的取值范围。

6.2测量数据表格
测量数据时，位移每次变化0.3mm至0.5mm之间选取。

6.3测量数据对应U—x图像。