论文部分内容阅读
电容微位移传感器作为一种非接触式精密测量仪器,具有测量范围大、结构简单、稳定可靠、使用方便等优点。但现有的电容微位移传感器一般采用传统的平行极板形式,存在着很大的局限性,如体积要求、安装限制等。本文讨论了传统的电容传感器的结构和工作原理,在此基础上提出了新型的电容传感器探头结构。它与传统的平行双金属极板电容结构不同,检测电容的两个极板做在了同一个平面极板上,这样用于在线检测时此探头安装方便,能实现高精度、高效率的非接触测量,因而在现代化的工业测量中将具有广泛的应用和前景。由于这种单片式电容传感器的电极所产生的电场呈散射状,运用传统的电磁场理论很难得到精确的解析解,给传感器的设计及性能优化带来很大困难。本课题采用ANSYS有限元仿真的方式,讨论了被测物为金属和非金属时的传感器特性,对传感器两电极间隙、厚度与敏感范围之间的关系进行了分析,后根据仿真结论进行了实验。具体实验采用印制电路板(PCB)工艺制成了6种不同结构参数的传感器探头,针对金属和非金属被测物进行了实验,验证了仿真结论,即相同面积下,复杂形状的电极结构与简单单片电容相比,复杂形状电极的传感器初始电容值和灵敏度都更大,其特性优于传统平行板电容微位移传感器。不同的复杂电极参数也会对传感器特性有不同的影响。具体结论如下：1)随着电极间隙的增加,传感器量程增大但其灵敏度减小；2)同一间隙下,双叉指型电极传感器的量程和灵敏度指标都比早字型传感器高；3)对于6种不同参数的传感器,其灵敏场分布不均匀,都呈分段线性的关系,被测物距离越近,传感器灵敏度越高。综合金属和非金属的实验数据,可见本文设计的单片式复杂电极结构的电容微位移传感器可用于不同对象的位移测量：测量金属时,量程最大可到6000μm,最高灵敏度为3.8fF／μm；测量非金属时,量程最大可到170μm,最高灵敏度为6.2 fF／μm。论文最后研究了电容量(后转换成为电压)和被测距离之间非线性关系的拟合方法,运用Proteus软件对总体方案的可行性进行了论证,在一定程度上可实现样机的非线性校正。