项目三电容传感器

1、传感与检测技术项目三 报告专 业： 电气自动化 班 级： 092403 组 长： 周贺 组 员：刘成轩 、张耒、周宇贺志鸿、 赵炳宇指导教师： 卢玉菲 日 期：2010年11月14日 长春汽车工业高等专科学校【项目功能】1、完成使用电容传感器进行位移的测量，并实时显示处理。2、通过完成项目，掌握电容式传感器的基本工作原理和应用；3、通过完成项目，掌握对小信号的采集、放大和处理，以及抗干扰设计。【项目知识点与技能点】1、掌握电容式传感器的工作原理。2、掌握电容式传感器的分类。3、掌握电容式传感器的测量电路及利用软硬件进行非线性补偿的方法。4、了解电容式传感器的各种应用。【项目知识准备】电容式传感

2、器电容式传感器是将被测量的变化变换为电容量的变化。实质上可以认为电容式传感器本身（或者与被测物一起）就是一个可变的电容器。电容式传感器结构简单、适应性强、具有良好的动态特性、本身发热小，可以进行非接触的测量。有了这些优点，电容测量技术就可以广泛应用于位移、压力、厚度、液位、转速、振动、加速度、角度、流量、面料以及成分含量等方面的测量。一、电容式传感器的工作原理和结构特性1工作原理由物理学可知，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为d式中: e 电容极板间介质的介电常数, e=e0er C=eAe0为真空介电常数, e0=8.85410-12 F/me

3、r为极板间介质相对介电常数；对于空气介质，er1。A两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。C电容量2类型根据其工作原理，电容式传感器可分为改变极距d型、改变面积A型和改变介质的介电常数e型这三种基本类型。 它们的电极形状又有平板形、圆柱形和球平面型三种。（1）变极距型电容传感器当传感器的er和A为常数, 空气介质，初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小d, 电容量增大C, 则有当Ddd0很小的时候，可以得到：由上式可见，输出电容C的相对变化与输入位移Dd之间呈现的是一种非线性关系。因此，在误差范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系：电容传感器的灵敏

4、度用K来表示：由以上分析知：变极距型电容式传感器只有在d/ d0很小时, 才有近似的线性输出。所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足d d0的条件，且一般d只能在极小的范围内变化。而。并且并且的的 d0较小时,得出对于同样的d变化所引起的C可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。d0过小又容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质(如图3- 3所示), 平行极板间的介质就有固体和空气两种。此时电容C变式中：eg云母的相对介电常数, eg= 7; e0空气的介电常数, e0= 1;d0 空气隙厚度; dg 云母片的厚度。云母片的相对介电常数是空气的7倍,

5、 其击穿电压不小于1000 kV/mm, 而空气的仅为3kV/mm。 因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。同时, 式（3-7）中的dg0eg项是恒定值, 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。为了提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响，常采用差动式的电容传感器。一般变极距型电容式传感器的起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10。（2）改变面积型电容式传感器DCDx=电容相对变化量为: C0a这种形式的传感器其电容量C与水平位移x是线性关系。（3）改变介质型电容式传感器下表列出了几种常用气体、

6、液体、固体介质的相对介电常数。表3-1常用气体、液体、固体介质的相对介电常数二、电容式传感器的等效电路对于电容式传感器的灵敏度和非线性的分析，在一定情况下都可以将电容式传感器看作为纯电容器。通常，多数的电容器的损耗可以忽略，在工作频率低的时候其电感效应也是可以忽略的。1低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略，等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻ReRg2高频等效电路电容阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp而rer 11=jwL+R jwCejwC由于电容传感器电容量一般都很小，即容抗很大，而R很小可以忽略，因此此时电容传感器的等效灵敏度为三、电容

7、式传感器的测量电路一般传感器的输出信号不能直接拿来进行显示或传输，往往需要连接一定的测量电路才能正常工作。电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,不能直接由显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、交流电桥、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。四、电容式传感器的应用电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，变面积型的能测量量程为零点几

8、毫米至数百毫米之间的位移。电容式角度和角位移传感器广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为0.50m、频率为1020kHz，灵敏度高于0.01m，非线性误差小于0.05m。1电容式压力传感器 加速度传感器它具有结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)、能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力等优点。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时, 形成的两个电容器的电容量, 一个增大, 一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压变化。 2电容式压力传感器电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大, 大多

9、采用空气或其它气体作阻尼物质。具有精度较高、频率响应范围宽、量程大、可以测很高的加速度等特点。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化, 一个增加, 一个减小, 从而使C1、 C2产生大小相等, 符号相反的变化量, 此增量正比于被测加速度。 3电容式位移传感器应用电容式位移传感器的突出优点，是它的超高分辨率和稳定性。现在，电容式位移传感器应用使得加工行业可以容易具备高超的机械加工精度，在具有完美的信号屏蔽措施的情况下可以达到纳米级的精度。4电荷平衡式位移

10、传感器电荷平衡式位移传感器的可变电压VM与测头的位置成比例，已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。5电容式传感器的其他测量应用（1）油量测量（2）湿度测量（3）电容式键盘（4）电容传声器（5）指纹识别五、电容式传感器的特点及设计与应用中存在的问题1电容式传感器的特点（1）特点（与电阻式、电感式相比）优点1温度稳定性好电容值通常与电极的材料无关，仅取决电极的尺寸有关。2结构简单、适应性强电容式传感器结构简单，易于保证高的精度。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强。3动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，因此其固有频率很高，动态响应时

11、间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。4可以实现非接触测量，具有平均效应当被测件不允许接触测量时，电容传感器可以完成测量任务。由于电容式传感器具有平均效应,也可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。（2）缺点1输出阻抗高，带负载能力差电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，使传感器的输出阻抗很高，传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施。2寄生电容影响大。传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容

12、)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。3输出特性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。2电容传感器设计要点电容传感器设计要达到低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应这些基本特点。所以，针对电容传感器的特性，提出以下的注意要点：1）保护绝缘材料的绝缘性能2）消除和减少边缘效应3消除和减少寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度

13、，必须消除和减小它。1）增加传感器原始电容值 2）集成化 3）运算放大器法4）驱动电缆法【项目程序】#include#include#includedelay.h#includekey1.hunsigned int Adc0_Rel=0;unsigned int Adc0_Catch=0;unsigned int Adc0_Conver20;unsigned char Adc0_F;void Adc_Init(void)#pragma interrupt_handler Adc_isr:15void Adc_isr(void)DDRA&=0x01; PORTA&=0x01; ADCSRA=0x

14、00; ADMUX=0x00; ACSR=(1ACD); ADCSRA=(1ADEN)|(1ADSC)|(1ADIE)|(1ADPS2)|(1ADPS1)|(1ADPS0);void main(void) unsigned char i; Adc0_ConverAdc0_F=ADC&0x3ff; Adc0_F+; delay_nms(100); if(Adc0_F=20) ADMUX=(1REFS0); ADCSRA|=(1ADSC); for(i=0;i10; Adc0_F=0; Adc0_Catch=0; Adc0_Catch+=Adc0_Converi; unsigned int Adc

15、0,zl; CLI(); Adc_Init(); BC7281_int(); SEI(); while(1) CLI(); if(Adc0_Rel0) Adc0=Adc0_Rel+10;else Adc0=Adc0_Rel; zl=Adc0*500/56; write7281(0x15,0x30+(Adc0%10000/1000);write7281(0x15,0x20+(Adc0%1000/100);write7281(0x15,0x10+(Adc0%100/10); write7281(0x15,0x00+(Adc0%100%10); write7281(0x18,0x3F);write7281(0x15,0x