电容式传感器的位移特性实验 电容式传感器论文.docx

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电容式传感器的位移特性实验电容式传感器论文

智能仪器课程设计报告书

课程名称：

智能仪器

设计题目：

电容式传感器的位移特性实验

学院：

电气学院

专业：

测控技术与仪器

班级：

BG0XX

组员：

XXXXXX

XXXXXX

摘要

仪器仪表式获取信息的工具，式认识世界的手段。

它是一个具体的系统或装置。

它最基本的作用是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。

随着科学技术的不断发展，人类社会已经步入信息时代，对仪器仪表的依赖性更强，要求也更高。

现代仪器仪表以数字化、自动化、智能化等共性技术为特征获得了快速发展。

关键词：

智能仪器、微型计算机

Abstract

Instrumentinformationaccesstool,ameansofunderstandingtheworldstyle.Itisaspecificsystemordevice.Itisthemostbasicroleistoextend,expand,complementorreplacehumanauditory,visual,tactileandotherorganfunctions.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,mankindhasenteredtheinformationage,moredependentontheinstrument,demandingmore.Moderninstrumentationtodigital,automaticandintelligentfeaturessuchasaccesstocommontechnologiesfortherapiddevelopment.

Keywords:

Intelligentinstruments,micro-computer

目录

摘要I

AbstractIII

第1章电容式传感器1

1.1电容式传感器工作原理1

1.2电容式传感器的结构类型2

1.3电容式传感器的优缺点2

第2章电容式传感器的位移特性实验4

2.1实验目的4

2.2基本原理4

2.3需用器件与单元4

2.4实验步骤5

2.5A/D转换....................................................................................6

课程设计小结7

参考文献8

第1章电容式传感器

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。

电容量和两个极板的间隙、表面积之间的关系可用下式表示：

式中，

C:

电容（微微法）；

Ɛ:

极板间介质的介电常数，空气的Ɛ=1；

:

两个极板相互覆盖的面积（cm²）；

d:

两个极板间的距离（cm²）；

:

相对介电常数；

:

真空介电常数；

=0.088542*10

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成如下3种类型：

可以改变两极板间的距离d；

可以移动极板，以改变极板间相覆盖的面积S；

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10

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。

第2章电容式传感器的位移特性实验

2.1实验目的

了解电容式传感器结构及其特点。

2.2基本原理

利用电容C＝εA／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、A、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，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：

它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。

设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2ｘ／ln（R／r）。

图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C=C1－C2=ε22∆X／ln（R／r），式中ε2、ln（R／r）为常数，说明∆C与位移∆X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

2.3需用器件与单元

主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

2.4实验步骤

1、测微头的使用和安装参阅实验九。

按图1将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线（实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ）。

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：

逆时针转到底再顺时传３圈）。

3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）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、根据表1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。

实验完毕，关闭电源。

2.5A/D转换

A/D转换器（也称”ADC”）是将模拟量转化为数字量的器件,这个模拟量泛指电压,电阻,电流,时间等参数,但在一般情况下,模拟量是指电压而言的.在数字系统中,数字量是离散的,一般用一个称为量子Q的基本单位来度量.例如,一个N位二进制数,共有N=2n个离散值,定义基本度量单位Q等于满量程模拟量的1/2n.模拟量的量化就是算出模拟量有多少个Q,并用2N个离散电平中最为近似的一个电平来代替.

A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平

1.分辨率

A/D转化器的分辨率定义为A/D转换器所能分辨的输入模拟量的最小变化量,可以用输入量程值的百分比表示

2.转换时间

A/D转换器完成一次转换所需要的时间定义为A/D转换时间.转换时间与时间转化所采用的电路技术有关.

3.精度

（1）绝对精度:

定义为对应于生产一个给定的输出数字码,理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值.

（2）相对精度

（3）偏移误差

（4）增益误差

（5）积分线性误差

（6）微分线性误差

课程设计小结

作为大三学生。

我们觉得做智能仪器课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。

在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。

我们在课堂上掌握的是仅仅是专业课的理论知识。

如果去锻炼我们的实践能力？

如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？

我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

刚开始前我们四个人还在为到底选那个课题而发生分歧，最后还是在协商下完成了课题的选定，但是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，在组员纷纷完成了初步的工作后，我们自信满满的来到了实验室准备调试，但第一次就给了调试的结果不是很理想，于是我们就拿着实验模块反复分析和修改，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。

我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。

同时也是必不可少的。

我们是在做智能仪器课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际心情在幻想的世界里翱翔，而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软件流程图；在设计程序时，不能亡想一次就将整个程序设计好，反复修改，不断改进是程序设计的必经之路。

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。

对整个课程设计来说，这是至关重要的，缺少每一个人都会对我们的设计产生影响，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。

但是从中学到的知识会让我受益终身。

发现，提出，分析，解决总是和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习，工作和生活中。

参考文献

［1］胡向东，刘京诚主编.传感技术［M］.重庆：

重庆大学出版社，2006

［2］刘迎春等主编.现代新型传感器原理及应用［M］.北京：

国房出版社，1998

［3］余成波等主编.传感器与自动检测技术［M］.北京：

高等教育出版社，2004

［4］陈杰等编著.传感器与检测技术［M］.北京：

高等教育出版社，2003

［5］常健生主编.检测与转换技术（第三版）［M］.北京：

机械工业出版社2004

［6］马西秦主编.自动检测技术［M］.北京：

机械工业出版社，2004

［7］强锡富主编.传感器（第三版）［M］.北京：

机械工业出版社，2004