1、實(shí)驗(yàn)3電容式傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編碼：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)數(shù)：2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型：綜合性（） 設(shè)計(jì)性（）驗(yàn)證性（）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑趥鞲衅骷夹g(shù)課程中，電容傳感器是教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，熟悉特性，掌握工作原理。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及基本原理（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用螺旋測(cè)微器帶動(dòng)電容傳感器中心圓柱橫向位移，產(chǎn)生電容量變化，利用測(cè)量電路，將電容變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出，從而將位移與電壓輸出建立了解。（二）實(shí)驗(yàn)原理1、原理簡(jiǎn)述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容CA/d 關(guān)系式通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇

2、、A、d 中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)干燥度（變）、測(cè)位移（d 變）和測(cè)液位（A 變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。2.傳感器結(jié)構(gòu)：本實(shí)驗(yàn)采用的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動(dòng)式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖1 所示：它是有二個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長(zhǎng)為x，則電容量為C=2px/ln(R/r)。圖中C1、C2是差動(dòng)連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生X位移時(shí)，電容量的變化量為C =C1C

3、2=2p2X/ln(R/r)，式中2p、ln(R/r)為常數(shù)，說(shuō)明C與X位移成正比，配上配套測(cè)量電路就能測(cè)量位移。圖1 實(shí)驗(yàn)電容傳感器結(jié)構(gòu)3、測(cè)量電路(電容變換器)：測(cè)量電路畫在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓拿姘迳?。其電路的核心部分是圖2 的二極管環(huán)路充放電電路。在圖2 中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6 二極管、C4 電容、L1 電感和CX1、CX2（差動(dòng)電容位移傳感器）組成。當(dāng)高頻激勵(lì)電壓(100kHz)輸入到點(diǎn)，由低電平E1 躍到高電平E2 時(shí)，電容CX1 和CX2 兩端電壓均由E1 充到E2。充電電荷一路由點(diǎn)經(jīng)D3 到b 點(diǎn)，再對(duì)CX1 充電到O 點(diǎn)(地)；另一路由點(diǎn)經(jīng)C4 到c 點(diǎn)，再經(jīng)D5 到

4、d 點(diǎn)對(duì)CX2 充電到O 點(diǎn)。此時(shí)，D4 和D6 由于反偏置而截止。在t1 充電時(shí)間內(nèi)，由到c 點(diǎn)的電荷量為：Q1CX2(E2-E1) （1）圖2 二極管環(huán)形充放電電路當(dāng)高頻激勵(lì)電壓由高電平E2 返回到低電平E1 時(shí)，電容CX1 和CX2 均放電。CX1 經(jīng)b 點(diǎn)、D4、c 點(diǎn)、C4、點(diǎn)、L1 放電到O 點(diǎn)；CX2 經(jīng)d 點(diǎn)、D6、L1 放電到O 點(diǎn)。在t2 放電時(shí)間內(nèi)由c 點(diǎn)到點(diǎn)的電荷量為：Q2CX1(E2-E1) （2）當(dāng)然，（ 1）式和（2）式是在C4 電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的CX1 和CX2 電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C4 的充放電回路由圖2 中實(shí)線、虛線箭頭所示。在一個(gè)充放電周期內(nèi)

5、（t1+t2），由c 點(diǎn)到點(diǎn)的電荷量為：Q2-Q1(CX1-CX2)(E2-E1)CXE （3）式中：CX1 與CX2 的變化趨勢(shì)是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動(dòng)式）。設(shè)激勵(lì)電壓頻率f1/T，則流過(guò)ac 支路輸出的平均電流i 為：iffCX E （4）式中：E激勵(lì)電壓幅值；CX傳感器的電容變化量。由（4）式可看出：f、E一定時(shí)，輸出平均電流i 與CX成正比，此輸出平均電流i 經(jīng)電路中的電感L2、電容C5濾波變?yōu)橹绷鱅 輸出，再經(jīng)Rw 轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1I Rw。由傳感器原理已知C與X位移成正比，所以通過(guò)測(cè)量電路的輸出電壓Vo1就可知X位移。4、電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)原理方塊圖如圖3圖3 電

6、容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)方塊圖三、實(shí)驗(yàn)用儀器與設(shè)備1主機(jī)箱15V直流穩(wěn)壓電源2電容傳感器3電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?電壓表5測(cè)微頭四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1按圖4 示意安裝、接線（測(cè)微頭的使用和安裝參閱預(yù)習(xí)資料）。2將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞w 調(diào)節(jié)到中間位置(方法：逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底再順時(shí)傳圈)。3將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開(kāi)關(guān)打到2V 檔。4檢查接線無(wú)誤后，請(qǐng)實(shí)驗(yàn)教師查看線路，經(jīng)確認(rèn)后合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)。5旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭改變電容傳感器的動(dòng)極板位置使電壓表顯示0V，記下測(cè)微頭刻度 。6順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭(同一個(gè)方向)6圈，記錄此時(shí)的測(cè)微頭讀數(shù)和電壓表顯示值作為為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)值。X0（ ） V0( )圖4 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)安裝、接線示

7、意圖7以后，逆時(shí)針?lè)较蛎哭D(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭1圈即X=0.5mm 位移讀取電壓表讀數(shù)(這樣轉(zhuǎn)12 圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù))，將數(shù)據(jù)填入表1(這樣單行程位移方向做實(shí)驗(yàn)可以消除測(cè)微頭的回差)。表1 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（正向）X(mm)V(mV)8重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟5，然后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)6圈，順時(shí)針測(cè)量12圈位移所對(duì)應(yīng)的電壓值，記入表2。表2 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（反向）X(mm)V(mV)9根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)作出X-V 實(shí)驗(yàn)曲線并截取線性比較好的線段計(jì)算靈敏度S=V/X和非線性誤差及測(cè)量范圍。10實(shí)驗(yàn)完畢清理實(shí)驗(yàn)接線，將實(shí)驗(yàn)器件放回原處，關(guān)閉電源。五、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及預(yù)習(xí)要求1本次實(shí)驗(yàn)中使用了測(cè)微頭（螺旋測(cè)微儀），請(qǐng)認(rèn)

8、真閱讀預(yù)習(xí)資料：測(cè)微頭的組成與使用。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，理解實(shí)驗(yàn)原理后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2檢查接線無(wú)誤后，請(qǐng)實(shí)驗(yàn)教師查看線路，經(jīng)確認(rèn)后合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)3實(shí)驗(yàn)完畢后清理實(shí)驗(yàn)接線，將實(shí)驗(yàn)器件放回原處，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源開(kāi)關(guān)。七、思考題1為什么要先正向轉(zhuǎn)6圈后，再反向轉(zhuǎn)12圈進(jìn)行測(cè)量？2改變哪些系數(shù)，可以改變電容傳感器的輸出？資料：測(cè)微頭的組成與使用測(cè)微頭組成和讀數(shù)如圖5所示。圖5測(cè)位頭組成與讀數(shù)圖測(cè)微頭組成： 測(cè)微頭由不可動(dòng)部分安裝套、軸套和可動(dòng)部分測(cè)桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測(cè)微頭讀數(shù)：測(cè)微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線(1mm/格)

9、，另一排是半毫米刻線(0.5mm/格)；微分筒前部圓周表面上刻有50等分的刻線(0.01mm/格)。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時(shí)，測(cè)桿就沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過(guò)1格，測(cè)桿沿軸方向移動(dòng)微小位移0.01毫米，這也叫測(cè)微頭的分度值。測(cè)微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對(duì)準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀1/10分度，如圖5甲讀數(shù)為3.768mm，不是3.178mm；遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時(shí)，應(yīng)看微分筒的示值是否過(guò)零，如圖5乙已過(guò)零則讀2.514mm；如圖5丙未過(guò)零，則不應(yīng)讀為2mm，讀數(shù)應(yīng)為1.980mm。測(cè)微頭使用：測(cè)微頭在實(shí)驗(yàn)中是用來(lái)產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測(cè)微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動(dòng)微分筒到10mm處(為了保留測(cè)桿軸向前、后位移的余量)，再將測(cè)微頭軸套上的主尺橫