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