電容式傳感器測(cè)位移

摘要儀器儀表式獲取信息的工具，式認(rèn)識(shí)世界的手段。它是一個(gè)具體的系統(tǒng)或裝置。它最基本的作用是延伸、擴(kuò)展、補(bǔ)充或代替人的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等器官的功能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)步入信息時(shí)代，對(duì)儀器儀表的依賴(lài)性更強(qiáng)，要求也更高?，F(xiàn)代儀器儀表以數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化等共性技術(shù)為特征獲得了快速發(fā)展。TOC\o"1-5"\h\z第1章電容式傳感器工作原理 11.2第2章電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 21.3第3章電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 2第4章第2章電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) 4第5章2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?4第6章2.2基本原理 4第7章2.3需用器件與單元 4第8章2.4實(shí)驗(yàn)步驟 5第9章2.5 A/D轉(zhuǎn)\o"CurrentDocument"換 6第10章課 程設(shè)計(jì)小7第11章參 考文獻(xiàn) 8第1章電容式傳感器電容式傳感器的工作原理兩塊極板之間的間隙變化，或是表面積變化，將使電容量改變，根據(jù)這一原理制成的傳感器稱(chēng)為電容式傳感器。電容量和兩個(gè)極板的間隙、表面積之間的關(guān)系可用下式表示：小 &S ￡?￡-SC= =—0 r dd式中，C:電容(微微法)；&極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，空氣的E=1；bS:兩個(gè)極板相互覆蓋的面積(cm2)；d:兩個(gè)極板間的距離(cm2)；r:相對(duì)介電常數(shù)；0 :真空介電常數(shù)；0 =0.088542*1012F/cm。由式可見(jiàn)，在3個(gè)參數(shù)中，只要改變其中一個(gè)參數(shù)，即可使電容C發(fā)生變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，就可把另一個(gè)參數(shù)的單一變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，即可以把3個(gè)參數(shù)中的任意一個(gè)的變化轉(zhuǎn)換成電容C的變化。這就是電容式傳感器的基本工作原理。電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型根據(jù)工作原理，在實(shí)際應(yīng)用中，電容式傳感器一般可分成如下3種類(lèi)型：①可以改變兩極板間的距離d；②可以移動(dòng)極板,以改變極板間相覆蓋的面積S； ③可以改變極板間的介質(zhì)，以便介電常數(shù)發(fā)生變化。這3類(lèi)常見(jiàn)的電容式傳感器的主要結(jié)構(gòu)形式分為改變極板覆蓋面、改變極板間距離和改變介質(zhì)3組，每組又依運(yùn)動(dòng)件的平移（直線運(yùn)動(dòng)）或角位移（旋轉(zhuǎn)）分類(lèi)。對(duì)于1、2組，每類(lèi)又依電容器的形狀分成平面形或圓筒形。電容式傳感器的組成可有單片單組、差接組和多片單組等組合方式。電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及一些特殊問(wèn)題優(yōu)點(diǎn)動(dòng)作能量低（極板間靜電吸引力約幾個(gè)105C）,動(dòng)作響應(yīng)快（固有頻率高，載波頻率高），本身發(fā)熱影響小（用真空，空氣或其他氣體作絕緣介質(zhì)時(shí)），靈敏度高，誤差小，能在惡劣的環(huán)境下工作（如在高溫，低溫及強(qiáng)輻射等各種環(huán)境下）。因此，該傳感器近幾年來(lái)得到了較快的發(fā)展，逐漸廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化儀表中。缺點(diǎn)（1）其輸出特性式非線性的。對(duì)于改變極板距離的電容傳感器。電容量和極板間距離是非線性關(guān)系，雖然用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以使其得到改善，但是由于存在泄漏電腦和不可避免的不一致性，也不可能完全消除特性的非線性。（2）泄漏電容的影響，傳感器的電容量及其變化一般小于電容量，泄漏電容量式由支持構(gòu)建及連接電纜所引起。這些泄漏電容不僅降低了轉(zhuǎn)換效率，還將引起誤差。但是，利用電纜屏蔽層的點(diǎn)位跟蹤與電纜相連接的可動(dòng)極板的點(diǎn)位，或?qū)⑿盘?hào)處理的電子線路安裝在非?？拷牡胤?，皆可消除泄漏電容的影響。由于上述特點(diǎn)，目前電容式傳感器通過(guò)改變d和s,在對(duì)位移（直線和轉(zhuǎn)角），壓力，振動(dòng)等的檢測(cè)方面獲得一定的應(yīng)用。例如,利用改變介電常數(shù)的方法可以檢測(cè)密閉容器中的液位,不到點(diǎn)松散物質(zhì)的料位,非導(dǎo)電材料的厚度,非金屬材料涂層等。第2章電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。2.2基本原理利用電容C=￡A/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇￡、A、d中二個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度@變)、測(cè)位移(d變)和測(cè)量液位(A變)等多種電容傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，如下圖所示：它是有二個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長(zhǎng)為x,則電容量為C=￡2x/ln(R/r)。圖中Cl、C2是差動(dòng)連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生AX位移時(shí)，電容量的變化量為AC=C1-C2=￡22AX/ln(R/r)，式中￡2、ln(R/r)為常數(shù)，說(shuō)明AC與位移AX成正比，配上配套測(cè)量電路就能測(cè)量位移。電容式傳感器是指能將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器它實(shí)質(zhì)上是具有一個(gè)可變參數(shù)的電容器。利用平板電容器原理：小 ￡S ￡ ?￡ -SC= =—0r dd2-l)式中，S為極板面積，d為極板間距離，￡0真空介電常數(shù)，￡介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù),由此可以看出當(dāng)被測(cè)物理量使S、d或￡r發(fā)生變化時(shí)，電容量C隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變而僅改變另一參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化單值地轉(zhuǎn)換為電容量的變化。所以電容傳感器可以分為三種類(lèi)型：改變極間距離的變間隙式，改變極板面積的變面積式和改變介質(zhì)電常數(shù)的變介電常數(shù)式。這里采用變面積式，如圖11-1兩只平板電容器共享一個(gè)下極板，當(dāng)下極板隨被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，兩只電容器上下極板的有效面積一只增大，一只減小，將三個(gè)極板用導(dǎo)線引出，形成差動(dòng)電容輸出。3需用器件與單元主機(jī)箱、電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉y(cè)微頭、數(shù)顯直流電壓表、直流穩(wěn)壓電源、絕緣護(hù)套實(shí)驗(yàn)步驟1、 測(cè)微頭的使用和安裝參閱實(shí)驗(yàn)九。按圖1將電容傳感器裝于電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳喜磮D示意接線（實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓妮敵鯲01接主機(jī)箱電壓表的Vin）。2、 將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞w調(diào)節(jié)到中間位置（方法：逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底再順時(shí)傳3圈）。3、 將主機(jī)箱上的電壓表量程（顯示選擇）開(kāi)關(guān)打到2v檔，合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭改變電容傳感器的動(dòng)極板位置使電壓表顯示Ov，再轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭（同一個(gè)方向）5圈，記錄此時(shí)的測(cè)微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)值。以后，反方向每轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭1圈即△X=0?5mm位移讀取電壓表讀數(shù)（這樣轉(zhuǎn)10圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù)），將數(shù)據(jù)填入表1并作出X—V實(shí)驗(yàn)曲線（這樣單行程位移方向做實(shí)驗(yàn)可以消除測(cè)微頭的回差）。4、根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差6。實(shí)驗(yàn)完