四号模块电容传感器.docx
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四号模块电容传感器
实验四电容式传感器实验模块
（一）、电容式传感器的位移特性试验
4.1.1实验目的：
1、了解电容传感器结构及其特点。
2、把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。
3.放大电路图
4.1.2实验所需器件及其模块：
4号电容传感器实验模块、变矩电容圆片、测微头、0-2V数显表、直流稳压源。
4.1.3电容式传感器的转换原理、型号、使用方法、以及信价比等
电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。
电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。
电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。
变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。
变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。
变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。
70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。
若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。
δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。
一般来说采用电容式传感器进行检测有以下突出优点：
1.测量范围大:
其相对变化率可超过100%；
2.灵敏度高:
如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；
3.动态响应快:
因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；
4.稳定性好:
由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
5.并且电容式传感器一般比较便宜，性价比高。
当然电容式传感器也有不可豁免的缺陷，如输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。
所以在使用电容式传感器时应注意一些事项。
如：
1．克服寄生电容的影响
电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小（pF到几十pF），属于小功率、高阻抗器件，因此极易外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。
消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。
2．克服边缘效应的影响
实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略；边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。
3．克服静电引力的影响
电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。
静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。
通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。
4．温度影响
环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。
温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两方面。
总体来说，电容式传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好以及对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。
其缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。
通过发扬优点克服缺点，电容式传感器已在工程设计尤其是自动化行业中发展迅速。
随着电子科学技术的发展，电容式传感器在各行各业中得到了广泛的应用，下面介绍几种利用其原理制造的产品：
1.FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器
本传感器采用的是综合介电常数法测量方法，可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。
本传感器采用螺纹连接，前置电路IC内置体积小，重量轻，结构可靠，是理想的在线润滑油检测传感器，可普遍应用于各类大型动力机械，轴承，齿轮箱，泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测中。
该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，实现数据存储，积算、传输和控制功能。
主要性能指标如下：
主要性能指标：
输入电压：
5V
输出信号：
0-5V直流
环境参数：
工作温度-40–125°C
储存温度；-55–140°C
故障率；正常工作小于0.1%
重量；小于300克
传感器连接：
M22*1.5
传感器电路；德国定制IC
2.FWS-CⅡ型在线电容式水分检测传感器
本传感器采用电容式测量方法，在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率，特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮机、船舶机械。
监视循环油系统是否存在泄漏，如水冷却器等。
监视工作机械的密封元件是否损坏，引起外部水渗入。
监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。
，从而精确测定润滑油质量，预测设备故障，是设备润滑油管理中的关键部件。
本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，测量精度高，工作稳定，具有较强的抗电磁干扰性能。
封闭型不锈钢制外壳具有很好的防水防尘性能。
可直接安装于工厂现场液压润滑管道上。
是理想的在线水分检测传感器。
该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种低水分油品的含水率。
直接显示，远程控制和报警。
实现数据存储，积算、传输和控制功能。
普遍应用于大中型机械联动机组的液压、润滑循环系统例如：
高线轧机和板带轧机润滑油系统、板带轧机和棒线轧机液压传动系统、汽轮发电机组润滑系统、造纸机组润滑系统、船舶机械润滑系统、燃料油库。
粘度计，污染度，湿度计电容式传感器。
编辑本段
3.ZCS1100型精密电容位移传感器
本传感器采用电容式测量方法，是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。
可以在线检测压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。
该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。
主要特点
◆
纳米级分辨率；
◆
线性0.08%；
◆
灵敏度可调；
◆
量程：
240µm；
◆
分辨率：
0.1nm；
◆
供电：
±15VDV；
◆
高性能、成本低，尺寸小巧；
4.ZNXsensor型超精密电容位移传感器
随着电容传感起头的上下移动，显示表电压发生变化：
当电容传感器头在平衡位置时，显示表显示值为00.000，当其移动到偏离平衡位置下方时，显示表值为-5.000，当其偏离平衡位置在上方时，显示表值为5.000.
该传感器是一种非接触式的电容位移传感器；两个传感器板形成一个平行板电容器，每个传感器可用在两个不用的测量范围；纳米分辨率；零磁滞。
近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。
将其测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。
数字式智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。
4.1.4实验原理：
利用平板电容C=εA/d和其他结构的关系式，通过相应的结构和测量电容可以选择E、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，则可以测谷物干燥度（变ε）、测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。
本实验装置中应用变极距d的方法测量位移。
这种变极距型电容器传感器为差动式结构。
中间一个动极板。
如下图所示。
起始时C1=C2=Cd1=d2=dA1=A2=A若动极板向上有一位移△d,则
C1=C0+△C1
C2=C0-△C2
△C/CO=（C1-C2）/C0运算后略去高次项△C/C0=△d/d0为近似线性参数。
电容式传感器的位移特性实验原理图如下：
4.1.5实验步骤：
1、接入+12V、-12V电源。
2、按图4-1安装接线，把测微头安装在6号位移测量实验模块支架上，旋转测微头使电容动片基本居中。
3、将电容传感器实验模块的输出端OUT与数显表单元V+相接，调节W1使数显表显示为零。
4、旋动测微头向上或向下改变电容传感器动极板位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入下表：
X（mm）
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
V1（mv）
6
11
15
20
24
31
35
39
43
47
V2（mv）
6
10
14
18
22
26
30
35
39
43
V3（mv）
6
8
11
16
20
24
28
33
37
41
V4（mv）
7
11
15
18
23
26
30
33
36
40
V5（mv）
6
10
15
18
22
26
30
35
39
43
V（mv）
σ2（mv）2
0.2
1.5
2.75
2
2.2
6.8
5.6
6
7.2
7.2
有方差和平均值可以看出第一组数据误差比较大。
可能存在疏失误差。
由于实验条件的限制，所采用的电容式传感器稳定性比较差由于极板的震动等原因会产生仪器误差，在实验过程中的许多动作也会影响到电容传感器的测量结果，这又产生了个人误差。
这些误差都是系统误差的来源。
平均值特性曲线
35
30
25
20
15
10
5
0.20.40.81.01.21.41.61.82.0
4.1.6注意事项
1.传感器要轻拿轻放，绝不能掉落在地上。
2.做实验时，不要用手或其他物体解除传感器，否则会造成线性变差。
4.1.7思考题
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？
能否陈述一下在设计中应考虑那些因素。
答：
各谷物湿度对应的介电常数、电压、电流等；
放大器的放大倍数，使其具有良好的输入输出信号；
所采用电压电流应注意安全，保持在安全范围内。
（二）、电容式传感器动态特性实验
4.2.1实验目的：
了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。
4.2.2实验所需器件及模块：
4号电容式传感器实验模块、3号震动测量实验模块、双踪示波器（自备）。
4.2.3实验原理：
利用电容传感器频率响应好的特点。
进行动态位移测量。
电容式传感器的动态特性实验4号模块平面图：
4.2.4实验步骤：
1、把电容传感器插在3号振动测量实验模块上，调整一下位置，使电容上下活动灵活。
2、4号电容式传感器实验模块接上±12V电源。
实验模块输出端OUT接示波器A通道，见上图。
3、实验台低频振荡器输出端与3号模块激励端相接，振动频率选6～12HZ之间，幅度旋钮初始值置0。
4、调节低频振荡器的幅度旋钮，使振动台振动幅度适中，观察示波器上显示的波形。
5、保持低频振荡器幅度不变，改变振动频率，从示波器测出不同频率时的传感器输出OUT峰-峰值。
由于输入信号的不稳定导致实验结果出现误差。
在输入信号为振幅2V时。
输入频率（HZ）
5
10
15
20
输出幅度（mv）
31
49
67
87
经过多次找实验模块，检验发现音频功率放大器输出信号失真导致实验的输入信号的不稳定导致实验结果出现误差。
4.2.5思考题：
1、为了进一步提高电容传感器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计。
答：
极板以波浪式代替平面式以增大面积，放大器上两电阻比例增
大以使放大倍数增大。
2、列举变d式电容传感器的应用。
答：
测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化
3、电容传感器具有结构简单，灵敏度高、分辨力高动态响应好的特点，可进行非接触测量。
它可以测量线位移、角位移、高频振动振幅。
电感式是接触测量，只能测量低频振幅，与电感比较，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量、非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。
4.6实验心得：
通过本次实验，加深了对电容式传感器的认识、了解以及操作和在生活中的应用。
第一个实验在实验指导书的帮助以及组员的共同努力下，很顺利的完成了。
数据也不是很多，测量简便，只是后期数据的处理相对比较复杂。
第二个实验，做了很多次，出现的问题大致相同，主要是示波器波形的显示出现强烈的未知干扰，导致波形一直严重失真，无法分辨，无法调节号输入，导致实验无法进行下去。
最后在老师和同学的多次帮助下才得以完成。
第二个实验过后，我们更加清楚的认识到，任何一次无论复杂或者简单的实验，都要秉着严谨仔细认真的态度去一步一步做，稍有轻心，就会导致实验无法进行或者结果出现严重错误。
也使我们体会到了同学之间合作的愉快。
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