差动变面积式电容位移传感器

燕山大学

传感器设计说明书

课题名称：差动变面积式电容位移传感器班级：

指导老师：

学生：

摘要

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、测量围（mm）：0~±1mm；2、线性度（%Fs）：0.5；3、分辨率（μm）：0.01；4、灵敏度（PF/mm）：2.3。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围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。

目录

一电容传感器工作特性

二设计要求：

三设计原理：

四消除和减少寄生电容的影响五差动放大电路

六相敏检波器系统工作及原理七实验设计

八心得体会

九参考文献

一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。

二设计要求：

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围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。

三设计原理：

测量电路图

电容设计图

圆柱式电容的计算公式为

ln(D/d)

πεx 2=C 式中：x 为、外电极重叠部分的长度；D 、d 分别为外电极径与电极外径。

当重叠部分长度x 发生变化时，电容的变化量为

ln(D/d)πεΔx 2ln(D/d)x )-πε(L 2ln(D/d)πεx 2ln(D/d)πεL 2ΔC 0==-=-=C C

灵敏度为

ln(D/d)

πε2Δx ΔC ==K 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C x1，下层定片与动片形成的电容定为C x2，当C x1 和C x2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。

电容剖面图

采用变压器电桥将电容变化转化为电压变化。

变压器电桥的两个平衡臂是变压器的次级绕组，另两个为差动电容传感器的电容。桥路的输出电压为

21212112110C ΔC 22)12(22•=+-•=-+=-+•=E C C C C E C C C E E C C C E U x x x x x x x x x x

电容的相对变化即为动片位移的相对变化

x

Δx ln(D/d)

πεx 2ln(D/d)πεΔx

2C ΔC == 所以，电桥的输出电压可以写为

0L Δx 2x Δx 2•=•=E E U 差动电容传感器的变化量相对于具有一个动片、静片的位移传感器来说多一倍

x2x1C -C ΔC =

其线性度要有所提高，灵敏度为

ln(D/d)

πε4Δx ΔC ==K 灵敏度要求为2.3PF/mm ，ε=8.85PF/mm ，可求得D/d=10.50. 所以，可以令D=3.5mm ，d=0.348mm

四 消除和减少寄生电容的影响 在电容式传感器的设计中，受到结构尺寸的限制影响，其自身电容量都很小（几皮法至十几皮法），属于小功率高阻抗原件，因此对寄生电容干扰非常敏感，并且寄生电容与传感器的电容相并联，影响传感器灵敏度等硬性参数，而它的变化则为虚假信号，

影响仪器的精度。

传感器实用性的关键就是减小并消除寄生电容的影响。

1增加传感器初始电容值

采用减小极片或极筒间的间距，增加工作面积来增加电容初始值，单该方法收加工及安装及装配工艺，精度，示值围，击穿电压，结构条件因素限制。

2集成化

将传感器与测量电路本身或前置级装在一个壳体，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减少而且固定不变，是仪器工作稳定，但这种传感器收高，低温或环境差的影响。

3运算放大器法

利用运算放大器的虚地减少引线电缆寄生电容Cl ，电容的传感器Cx 的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地∑点，电缆的屏蔽层接仪器，这时与传感器电容相串联的为等效电缆电容Cp/（1+A ），大大减少了电缆电容的影响，外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。传感器的另一电极接，用来防止外来电厂的干扰。若采用双层屏蔽层电缆，其外层屏蔽鞥接，干扰影响就更小。开环放大倍数A 越大，精度越高。选择足够大的A 值以确保足够的测量精度。

4 采用“电缆驱动”技术

当电容式传感器的容值很小，而且因为某些原因，测量电路只能与传感器分开时，可采用电缆驱动技术，即传感器与测量电路前置级间的引线为双层屏蔽电缆，其屏蔽层与信号传输线之间的电容。采用这种技术可是电缆线长达10m 之远也不影响仪器的