电容式传感器测位移

传感器与检测技术课程设计题目：电容式传感器测位移专业：测控技术与仪器班级：12121202学号：201220120214目录一.电容式传感器1.1电容式传感器工作原理............................................................21.2电容式传感器的结构类型........................................................31.3电容式传感器的优缺点............................................................4二.电容式传感器测位移特性2.1设计原理图......................................52.2流程图..........................................52.3测试方法.........................................5三.数据及分析............................................6四.课程设计心得.......................................................................................7一．电容式传感器1.1电容式传感器的工作原理两块极板之间的间隙变化，或是表面积变化，将使电容量改变，根据这一原理制成的传感器称为电容式传感器。电容式传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量装换成电容量的变化来实现测量的。电容式传感器的输出是电容的变化量，利用电容C=εA/d关系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，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）,测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容式传感器。本实验采用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只△C=△C1-△C2）的电容位移传感器（具体平板式变面积电容式传感器原理参阅教课书），差动时一般优于单组（单边）式的传感器。它的灵敏度高，线性范围宽，稳定性高。电容量和两个极板的间隙、表面积之间的关系可用下式表示C=ƐbS/d=r0bS/d式中，C:电容（微微法）；Ɛ:极板间介质的介电常数，空气的Ɛ=1；bS:两个极板相互覆盖的面积(cm²)；d:两个极板间的距离(cm²)；r:相对介电常数；0:真空介电常数；0=0.088542*1012F/cm。由式可见，在3个参数中，只要改变其中一个参数，即可使电容C发生变化。如果保持其中两个参数不变，就可把另一个参数的单一变化转换成电容量的变化，即可以把3个参数中的任意一个的变化转换成电容C的变化。这就是电容式传感器的基本工作原理。1.2电容式传感器的结构类型根据工作原理，在实际应用中，电容式传感器一般可分如下3种类型：①可以改变两极板间的距离d；②可以移动极板，以改变极板间相覆盖的面积S；③可以改变极板间的介质，以便介电常数ɛ发生变化。这3类常见的电容式传感器的主要结构形式分为改变极板覆盖面、改变极板间距离和改变介质3组，每组又依运动件的平移（直线运动）或角位移（旋转）分类。对于1、2组，每类又依电容器的形状分成平面形或圆筒形。电容式传感器的组成可有单片单组、差接组和多片单组等组合方式。1.3电容式传感器的优缺点及一些特殊问题优点动作能量低（极板间静电吸引力约几个105C），动作响应快（固有频率高,载波频率高），本身发热影响小（用真空，空气或其他气体作绝缘介质时），灵敏度高，误差小，能在恶劣的环境下工作（如在高温，低温及强辐射等各种环境下）。因此，该传感器近几年来得到了较快的发展，逐渐广泛地应用在工业自动化仪表中。缺点（1)其输出特性式非线性的。对于改变极板距离的电容传感器。电容量和极板间距离是非线性关系，虽然用差动式结构可以使其得到改善，但是由于存在泄漏电脑和不可避免的不一致性，也不可能完全消除特性的非线性。（2）泄漏电容的影响，传感器的电容量及其变化一般小于电容量，泄漏电容量式由支持构建及连接电缆所引起。这些泄漏电容不仅降低了转换效率，还将引起误差。但是，利用电缆屏蔽层的点位跟踪与电缆相连接的可动极板的点位，或将信号处理的电子线路安装在非常靠近的地方，皆可消除泄漏电容的影响。由于上述特点，目前电容式传感器通过改变d和s，在对位移（直线和转角），压力，振动等的检测方面获得一定的应用。例如，利用改变介电常数ɛ的方法可以检测密闭容器中的液位，不到点松散物质的料位，非导电材料的厚度，非金属材料涂层等。二．电容式传感器测位移特性2.1电容变换器原理图2.2.电容式位移传感器设计原理方块图：→→→→2.3测试方法1、将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按示意接线(实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ)。2、将模板上的Rw调节到中间位置(逆时针转到底再顺时传３圈)。3、将主机箱上的电压表量程开关打到２ｖ档，合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示０ｖ，再转动测微头(同一个方向)5圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数(这样转10圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表1并作出Ｘ—Ｖ实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。4、根据数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。机械位移电容传感器电容变换器放大器电压表三.数据及分析：X7.58.08.59.09.510.010.511.011.512.012.5V0.50.590.680.770.860.951.041.121.221.301.40X：（毫米）V：（伏）v00.20.40.60.811.21.41.6x7.588.599.51010.51111.512v数据分析：利用最小二乘法拟合直线：Y=0.18X-0.85，可以看出电压与位移成线性关系1.X=7.0时，Y=0.41,Y*=0.40,△Y=-0.012.X=9.0时，Y=0.77,Y*=0.77,△Y=03.X=10.0时，Y=0.95,Y*=0.96,△Y=0.014.X=12.5时，Y=1.40,Y*=1.42,△Y=0.025.X=13.0时，Y=1.51,Y*=1.50,△Y=-0.01△1=|△Y/YM/|=|-0.01/1.4|=0.714%△2=0△3=|△Y/YM/|=0.714%△4=|△Y/YM/|=1.428%△5=|△Y/YM/|=0.714%Y：拟合直线计算值Y*：拟合直线实际值△Y：误差△：仪表误差四．课程设计心得完成课题的选定后，随之而来的问题却远比我们想想的要困难的多。作为一个团队，分工就显得尤为重要，完成了初步的工作后，来到了实验室准备调试，但第一次调试的结果就不是很理想，于是我们反复的分析和修改，还对电路模块进行了修改，经过一次次的尝试之后我们把问题慢慢的解决了，然后我们就针对这部分模块进行了深入思索和修改,才能完成这次的课程设计!在做本次课程设计的过程中。印象最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。最后，要做好一个课程设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用传感器的结构有一个系统的了解，知道该传感器内有哪些资源，要有一个清晰的思想和一个完整的设计流程图；另外，这次课程设计让我感到了团队合作的重要性。在团队中，我们互帮互助。还有要感谢指导老师在我们遇到困难时，给予我们的建议与鼓励。这周的课程设计结束了，但是学到的知识让我受益匪浅。在做设计时，遇到了很多困难，然后盲目的去找资料，最后发现得到有价值的东西却很少。所以在以后的学习过程中，不会的东西不要一味的去找答案，关键是过程，一个理解，从不懂到学会的过程。