復雜電極結構的單片式電容微位移傳感器.pdf

1、電容微位移傳感器作為一種非接觸式精密測量儀器，具有測量范圍大、結構簡單、穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點。但現(xiàn)有的電容微位移傳感器一般采用傳統(tǒng)的平行極板形式，存在著很大的局限性，如體積要求、安裝限制等。
　　 本文討論了傳統(tǒng)的電容傳感器的結構和工作原理，在此基礎上提出了新型的電容傳感器探頭結構。它與傳統(tǒng)的平行雙金屬極板電容結構不同，檢測電容的兩個極板做在了同一個平面極板上，這樣用于在線檢測時此探頭安裝方便，能實現(xiàn)高精度、高效率的非接觸測

2、量，因而在現(xiàn)代化的工業(yè)測量中將具有廣泛的應用和前景。
　　 由于這種單片式電容傳感器的電極所產(chǎn)生的電場呈散射狀，運用傳統(tǒng)的電磁場理論很難得到精確的解析解，給傳感器的設計及性能優(yōu)化帶來很大困難。本課題采用ANSYS有限元仿真的方式，討論了被測物為金屬和非金屬時的傳感器特性，對傳感器兩電極間隙、厚度與敏感范圍之間的關系進行了分析，后根據(jù)仿真結論進行了實驗。
　　 具體實驗采用印制電路板(PCB)工藝制成了6種不同結構參數(shù)的傳

3、感器探頭，針對金屬和非金屬被測物進行了實驗，驗證了仿真結論，即相同面積下，復雜形狀的電極結構與簡單單片電容相比，復雜形狀電極的傳感器初始電容值和靈敏度都更大，其特性優(yōu)于傳統(tǒng)平行板電容微位移傳感器。
　　 不同的復雜電極參數(shù)也會對傳感器特性有不同的影響。具體結論如下：1)隨著電極間隙的增加，傳感器量程增大但其靈敏度減??；2)同一間隙下，雙叉指型電極傳感器的量程和靈敏度指標都比早字型傳感器高；3)對于6種不同參數(shù)的傳感器，其靈敏場分

4、布不均勻，都呈分段線性的關系，被測物距離越近，傳感器靈敏度越高。綜合金屬和非金屬的實驗數(shù)據(jù)，可見本文設計的單片式復雜電極結構的電容微位移傳感器可用于不同對象的位移測量：測量金屬時，量程最大可到6000μm，最高靈敏度為3.8fF/μm；測量非金屬時，量程最大可到170μm，最高靈敏度為6.2 fF/μm。
　　 論文最后研究了電容量(后轉換成為電壓)和被測距離之間非線性關系的擬合方法，運用Proteus軟件對總體方案的可行性進行