《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件 第3次課電容式位移傳感器及工程應(yīng)用

第三章第二節(jié)

位移測量傳感器3.1電容式位移傳感器返回主目錄本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容？我是誰？從哪里來？到哪里去？這是一個(gè)哲學(xué)問題！自動(dòng)門如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)？位移傳感器！位移傳感器還有那些應(yīng)用？位移傳感器在工業(yè)生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛！本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容？我是誰？從哪里來？到哪里去？電容式位移傳感器的概念電容式位移傳感器的原理電容式位移傳感器的應(yīng)用本節(jié)課要解決的問題金屬板厚度監(jiān)測系統(tǒng)假設(shè)你是工程師，要設(shè)計(jì)一個(gè)金屬板厚度檢測系統(tǒng)，你選擇什么樣的位移傳感器？位移傳感器是用來測量位移、距離、尺寸、角度等幾何量，并將被測物理量轉(zhuǎn)換成電量的一種傳感器。被測量包括：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動(dòng)、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。可以分為線性位移測量和角位移測量。角位移傳感器位移傳感器什么是位移傳感器？光柵位移傳感器電容式位移傳感器電感式位移傳感器9模擬式位移傳感器 電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，電阻式位移傳感器。10電容式傳感器是將被測物理量的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

式中：ε0——真空的介電常數(shù)，真空下等于8.85×10-12F/m；

S——極板的遮蓋面積；εr——極板間相對(duì)介電系數(shù)，空氣中約等于1；d0——兩平行極板間的距離。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型3種類型。電容式位移傳感器基本原理1.變極距型電容傳感器設(shè)初始電容為：當(dāng)間隙d0減小Δd時(shí),則電容量增大ΔC，則：電容的相對(duì)變化為：CΔdΔC1可見，電容C的相對(duì)變化與位移之間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系。電容的相對(duì)變化為：課堂思考：靈敏度是傳感器的重要性能指標(biāo)，該電容傳感器的靈敏度與什么有關(guān)？電容的相對(duì)變化為：與極距有關(guān)！當(dāng)時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開，得：在誤差允許范圍內(nèi)通過略去高次項(xiàng)得到其近似的線性關(guān)系：電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為靈敏度隨極板間距的減小而增大課堂思考：是否d0越小，傳感器就越好？答案是不一定的！傳感器還有一個(gè)性能指標(biāo)：非線性誤差！如果只考慮二次非線性項(xiàng)，忽略其它高次項(xiàng)，則得非線性誤差：由以上分析可知：變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時(shí)，才有近似的線性輸出。非線性隨極板間距的減小而增大存在什么問題？靈敏度和非線性誤差矛盾！Cdd0ΔdΔdΔC1ΔC2{{觀察電容與極距的關(guān)系圖，思考：當(dāng)兩個(gè)極距變化相同的信號(hào)輸入，輸出的信號(hào)是一樣的嗎？答案：不一樣！如何解決這些問題？為了提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，常采用差動(dòng)式的電容傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。工作時(shí)差動(dòng)電容器總電容變化為：

當(dāng)時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開，得：略去非線性高次項(xiàng)，得：變極距差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度K′為

變極距差動(dòng)電容傳感器的非線性誤差

′L近似為

可見，電容式傳感器做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)后，非線性誤差大大降低了，而靈敏度比單極距電容傳感器提高了一倍。與此同時(shí)，差動(dòng)式電容傳感器還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并有效的改善由于環(huán)境影響所造成的誤差。

位移傳感器工程應(yīng)用案例金屬板厚度監(jiān)測系統(tǒng)金屬板厚度監(jiān)測系統(tǒng)

金屬板厚度監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。差動(dòng)電容傳感器！本案例中的用電容傳感器是什么類型的？思考1思考2能不能根據(jù)原理圖簡述本系統(tǒng)的工作原理？

由于差動(dòng)電容器的兩塊相同固定極板安裝在被測帶材的上下兩邊，故與金屬帶材構(gòu)成兩個(gè)電容Cx1和Cx2。把兩塊固定極板用導(dǎo)線連結(jié)起來，作為一個(gè)極板，而帶材作為電容器的另一極板，則電容Cx1和Cx2為并聯(lián)。顯然，其總電容Cx為

金屬帶材在軋制過程中不斷向前送進(jìn)，如果帶材厚度發(fā)生變化，它將引起上、下兩個(gè)極板間距變化，即引起兩個(gè)電容Cx1和Cx2電容量的變化。從而引起總電容Cx的變化。把這個(gè)變化量△Cx測量出來就可知道帶材厚度的變化。也就可以知道帶材的厚度。這種測厚儀的優(yōu)點(diǎn)是帶材的振動(dòng)不影響測量精度。(7-61)2.變面積型電容位移傳感器變面積型電容位移傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖7-23所示。

變面積型電容位移傳感器知識(shí)拓展

（1）用于線位移測量的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)后,極板相對(duì)有效面積發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的電容值為：靈敏度：靈敏度為常數(shù)（2）用于角位移測量的電容式傳感器當(dāng)動(dòng)片有一角位移

時(shí)，兩極板間的覆蓋面積就改變，從而改變了電容量。

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)

角時(shí)，

當(dāng)

=0時(shí)，靈敏度：角位移式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度K為常數(shù)。3.變介質(zhì)型電容位移傳感器變介質(zhì)型電容位移傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

變介質(zhì)型電容位移傳感器

設(shè)它的有效工作面積為A0，極距為d0，原始介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為εr1，現(xiàn)將相對(duì)介電常數(shù)為εr2的介質(zhì)以x的深度插入電容器中，從而改變了電容器中的電介質(zhì)。也就改變了電容的大小。若原始電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr1=1，設(shè)x=0時(shí)的初始電容量C0=ε0εr1A0/d0，則相對(duì)介電常數(shù)為εr2的介質(zhì)插入極板間x深度后，引起電容的相對(duì)變化量為由此可見，電容的變化量與相對(duì)介電常數(shù)為εr2的介質(zhì)移動(dòng)量x也呈線性關(guān)系。(7-34)根據(jù)電容的計(jì)算公式可知，該電容器的電容量Cx為式中，l0為電容