差动变面积式电容位移传感器

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1、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：学生姓名：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、测量范围（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范围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。目录一

2、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

3、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、测量范围（mm）：0~±1m

4、m；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范围，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式中：x为内、外电极重叠部分的长度；D、d分别为外电极内径与内电极外径。当重叠部分长度x发生变化时，电容的变化量为灵敏度为设计一个

5、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Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当Cx1和Cx2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。桥路的输出电压为电容的相对变化即为动片位移的相对变

6、化所以，电桥的输出电压可以写为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其线性度要有所提高，灵敏度为灵敏度要求为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

7、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，示值范围，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内，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C

8、p/（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大地，用来防止外来电厂的干扰。若采用双层屏蔽层电缆，其外层屏蔽鞥接大地，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