xx0403206_王云海_基于电容传感器的微小位移测试系统的设计

xx0403206_王云海_基于电容传感器的微小位移测试系统的设计内容摘要：

所示，根据反馈放大原理，当放大器的开环增益 AV和输入阻抗 Zi足够大 的时候 ，放大器的闭环输出为： SlFO VZZV  济南大学毕业设计 6 其中，TF CZ f2 1π — 传感器电容 CT的阻抗 OI CZ f2 1π — 固定电容 CO的阻抗 Vs— 信号源电压 把 ZF、 ZI 带入上式，有： hSεO0CVV SO  上式中由于 SεO0CVS 为常量，因此输出电压 VO 与传感器两极板间的距离 h 为线性关系。 图 23 电容传感器运算式线路原理 运算式线路的主要特点是： 1） 由于输出电压与 h之间为线性关系，故而从原理上消除了 CT— h 非线性关系所带来 的影响，整机的非线性误差小，测量精度高。 2） 输出电压与 CO/CT 的比值有关，且由于电缆的分布电容可以通过采用“驱动电缆技术”而加以基本消除，因此传感器的电容可以很小，即也可以把侧头直径做的很小。 电容传感器的原理结构 传感器为一个平板，被测件为另一个平板。 它们构成了一个平行板电容器，电容济南大学毕业设计 7 与极距、介电常数、极板面积之间的关系为： SC  其中  —— 介质的介电常数； S—— 极板的面积；  —— 极板间的距离； CT—— 传感器电容（ F） 图 24 电容传感器的原理图 测微原理 如图 25 所示 ：利用电容 C＝ε S／ d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、 S、 d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物湿度、测位移和测量液位等多种电容传感器。 图 25 电容传感器测微原理 电容传感器的工作原理 ： 平面变间隙式电容传感器是由两个相互平行的平面极板组成的（通常是由被测件作为固定极 板，测头作为可动极板），它们构成了一个平行板电容器（图 26 所示） 电容传感器的结构示意图如图 2— 7 所示。 圆柱型传感器是由三个同轴层组成的：中心部分为金属测头，作为平行板电容器的一个极板，其横截面积就是电容器的有效作用面积；最外层是保护环，它的设置是为了改善传感电容器在有效作用面积内电场的边缘效应，使有效作用面积区内的电力线基本不发生弯曲，从而使传感器的电容量与极板间距之间保持规则的关系。 保护环应该与测头等电位，并且应与测头绝缘，才能起到上面的作用，因此在测头与保护环之间加上一绝缘层，并且用电气方法使测头与 保护环等电位，同时必须保证它们之间电气绝缘。 由于传感器电容量一般很小，因济南大学毕业设计 8 此传感器必须用特殊的电缆并采取特殊的技术措施连接到仪器的测量线路中。 （ 1）传感器电场的边缘效应会使 CT与 h之间的关系变得极为复杂，一般是通过前述的加保护环的方法加以解决。 同时，在进行传感器结构尺寸设计时，应适当选取保护环的内外直径。 (2)当被测表面不是平面时（例如轴、孔的表面）， CT与 h之间的关系不是式（ 2—1）的关系，此时可以在满足各种技术要求的前提下尽可能地选用小直径的测头，或将测头端面设计与被测表面相对应的形状。 (3)根据电容传感器的电容计算公式，与 h之 CT间为非线性的双曲线关系，为了使仪器的输与输入的位移之间保持线性关系，在转换电路中要采取必要的措施。 图 26 电容传感器原理图 图 27 电容传感器结构示意图 电容传感器是 将被 测 物体 参数的变化转换成电容变化的测量装置。 从电容传感器结构及型式上来看，目前主要有平面变极距型、平面变面积型、平面变介质型等类型，在一些特殊场合下也采用曲面型的上述传感器。 在这些传感器中，最基本的 就 是平面变极距型，它主要用于 精密位移、振动测量，精密定位及其他一些测控场合。 变极距型电容传感器 变极距型平行板电容传感器应用较其他最为 广泛，主要用于测量微小位移和振动变化 等 ，其结构示意图如图 28所示， 图 28 平行板电容器变极距示意图 其中 l为可动极板， 2为固定极板，当动片 1因被测量变化引起移动时，就改变济南大学毕业设计 9 了两极板间的初始距离 h，从而改变了电容量 C。 我们本次设计用的就是变极距型 电容传感器。 楔形块与电容传感器之间形成极板间距，随着楔形块地移动导致电容量的变化，通过电路转换从而达到微小位移测量的实现。 其电容值的 计算公式为 式中： K—— 电容系数（ K=1/（ ） =），即真空中介电常数； S—— 极板面积（ cm2）； h—— 极板间距（ cm）；  —— 介质相对介电常数。 变 面积型电容传感器 如图 29 所示 ，该图表示 为变极板相对面积的电容传感器，设两极板间遮盖面积为 A(A=a． b)，当其中一极板沿 x 方向移动时，遮盖面积 A 就发生变化，此时其电容值 Cx 为：    0 1x k b a x xCCha    式中： 0 k A k baC hh 其灵敏度为： xdC k bS dx h 因此 通过公式我们可以看出， b的增加 或者 是 h。