本科毕业设计-基于电容传感器的微小位移测试系统的设计(2)

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2 微位移测量的原理

电容测微仪就是将被测位移转化为电量变化的微位移测量仪,它具有频率响应快、灵敏度高、稳定性好、输出信号直接转换成电信号，测量为非接触方式、不产生测力变形等特点。

2.1电容测微系统

JDC非接触式电容测微仪是由电容传感器、螺旋测微仪、微动测量台架、显示器、标准量块以及单片机系统组成的，仪器的系统组成示意图如图2-1所示:

图 2-1 JDC型电容传感器测试系统原理图

图2-2为JDC型电容传感器测试系统的示意图

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图2-2 JDC型电容传感器测试系统的示意图

电容传感器运算电路的原理如图2-3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：

ZFVO??VSZl

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其中，ZF1?2πfCT—传感器电容CT的阻抗

1—固定电容CO的阻抗

2πfCO ZI? Vs—信号源电压

把ZF、ZI带入上式，有：

VSC0VO??hεOS

VSC0上式中由于εS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。

O

图 2-3 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。

2.2 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

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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 2-4 电容传感器的原理图

测微原理如图2-5所示：利用电容C＝εS／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 2-5 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2-6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