实验一电容式传感器的位移实验

1、实验一 电容式传感器的位移实验指导教师：杨倩E-mail：实验目的 了解电容式传感器结构及其特点。实验原理 电容式传感器是利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变化，实现非电量到电量的转化。 应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量而且可以用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。电容式传感器的工作原理和结构形式电容式传感器的工作原理和结构形式 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： 式中：r 相对介电常数； 0 真空中的介电常数，0=8.8510-12 F/m； S 两极板间相互覆盖面积； d 两极板之间的距离。

2、当被测参数变化使得S、 d或发生变化时，电容量C也随之变化。电容式传感器可分为变间隙（极距）型、变面积型和变介电常数（介质）型三种。0rSSCdd 变间隙（极距）型、变面积型和变介电常数（介质）型电容式传感元件的各种结构形式电容式传感元件的各种结构形式变间隙（极距）型电容传感器变间隙（极距）型电容传感器 变极距型电容式传感器 当传感器的r和S为常数，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缩小了d，电容量增大了C，则有000dSCr000001rSCCCCdddd 电容量与极板间距离的关系电容量与极板间距离的关系 若d/d01时，则展成级数： 此时C与d近似呈线

3、性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。 灵敏度： 可见，要提高灵敏度，应减小d0。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。2300000011ddddCCCdddd00ddCC00dCdCSn灵敏度： 上述等式成立的条件是：d/d01时，高次项省略，若保留二次项，则有： 电容式传感器的相对非线性误差： 可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线性误差增大。所以为使二者兼得，常采用差动式结构，即使其中一个电容器的电容C1随位移d增加，而另一个电容器的电容C2则减小。00dCdCSn)1 (000ddddCC0/100%d d差动式结构为提高灵敏度和线

4、性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，常采用差动式电容传感器上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。当动极板向上位移时：电容器C1的间隙1变为0 ；电容器C2的间隙2变为0+ ；则： 在 / 0100kHz)输入到点，由低电平E1跃到高电 平E2时，电容CX1和CX2两端电压均由E1充到E2。 线路一：点经D3到b点，再对CX1充电到O点(地) 线路二：点经C4到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。此时，D4和 D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内，由到c点的电荷量

5、为： Q1CX2(E2-E1) （1）放电：当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均 放电。 线路一：CX1经b点、D4、c点、C4、点、L1放电到O点 线路二：CX2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c点到点的电荷量为： Q2CX1(E2-E1) （2）式（1）（2）是C4电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路如图中实线、虚线箭头所示。在一个充放电周期内（t1t2），由c点到点的电荷量为： Q2-Q1(CX1-CX2)(E2-E1)CX E 在一个充放电周期内（t1t2），由c点到点的电荷量为： Q2-Q1(

6、CX1-CX2)(E2-E1)CX E 式中：CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。 设激励电压频率f1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为：iffCX E 式中：E激励电压幅值；CX传感器的电容变化量。可看出：f、E一定时，输出平均电流i与CX成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1I Rw。由传感器原理已知C与X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知X位移。需用器件与单元 主机箱15V直流稳压电源 电压表 电容传感器 电容传感器实验模板 测微头实验步骤： 1、按图示安装、接线。电容传感器位移实验安装、接线示意图电容传感器位移实验安装、接线示意图 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圈)。 3、将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后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)6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13圈读取相应的电压表读数)，将数据填