实验十一 电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解电容传感器的结构及特点
二、实验仪器：
电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套
三、实验原理：
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理：
（11-1）
式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0真空介电常数，εr介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图11-1
四、实验内容与步骤
1．按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。
图11-2
2．将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。
3．接入±15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。（Rw确定后不能改动）
4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表11-1
五、实验报告：
1．根据表11-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
实验十二 电容传感器动态特性实验
一、实验目的：
了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。
二、实验仪器：
电容传感器、电容传感器模块、相敏检波模块、振荡器频率/转速表、直流稳压电源、振动源、通信接口（含上位机软件）。
三、实验原理：
与电容传感器位移特性实验原理相同
四、实验内容与步骤：
1．传感器的安装如图10-1，传感器引线接入传感器模块，输出端Uo接相敏检波模块低通滤波器的输入Ui端，低通滤波器输出Uo接通信接口CH1。调节Rw到最大位置（顺时针旋到底），通过“紧定旋钮”使电容传感器的动极板处于中间位置，Uo输出为0。
2．主控台振荡器“低频输出”接到振动台的“激励源”，振动频率选“5-15Hz”之间，振动幅度初始调到零。
3．将主控台±15V的电源接入实验模块，检查接线无误后，打开主控台总电源，调节振动源激励信号的幅度，用通信接口CH1观察实验模块输出波形。
4．保持振荡器“低频输出”的幅度旋钮不变，改变振动频率（用数显频率计监测），从上位机测出Uo输出的峰-峰值。保持频率不变，改变振荡器“低频输出”的幅度，测量Uo输出的峰-峰值。
五、实验报告：
1．分析差动电容传感器测量振动的波形。
第二篇：电容式传感器特性实验
实验二：电容传感器性能测试实验
一． 实验类型：验证型。
二． 学时分配：2学时。
三． 实验目的：
1．电容传感器原理及典型应用。
2．掌握用示波器测量振荡频率的方法
四．实验原理：
电容式传感器的基本原理可以从图中来说明。当忽略边缘效应时，其电容C为：
C=ε S/δ=εrε0 S/δ
其中：
S-极板相对覆盖面积；
δ-极板间距离；
εr-相对介电常数；
ε0-真空介电常数；
ε-电容极板间介质的介电常数。
实际应用时，常常仅改变δ、S、ε之中的一个参数使C变化。电容式传感器可以分为三种基本类型：变间距、变面积、变介电常数型。
电容/电压变换器是双T型标准变换电路，功能为将输入两个电容器电容的差值转换为电压信号输出。图中e为一对称方波的高频电压源；C1、C2为差动式传感器的电容；RL为负载电阻；V1，V2为两个二极管；R1，R2为固定电阻。
电路工作原理如下：当电源e为正半周时，V1导通，V2截止，电容C1很快被充电至电压E，电源E经R1以电流I1向负载RL供电。与此同时，电容C2经R2和RL放电，放电电流为I2（t）。流经RL的电流IL（t）的电流是I1（t）和I2（t）之和。当电源e为负半周时，V1截止，V2导通，
此时C2很快被充电至电压E，而流经RL的电流IL′（t）为由E供给的电流I2′和C1的放电电流I1′（t）之和。如果V1与V2的特性相同，且C1=C2，R1=R2=R则流经RL的电流IL（t）和IL′（t）的平均值大小相等，极性相反。因此，在一个周期内流经RL的平均电流为零，RL无输出信号。当C1、C2变化时，在RL产生平均电流不为零，因而有信号输出。
利用电路分析求得在电源E负半周内电路的输出为：
IL′（t）=[E/（R+RL）]（1-e-t/τ1）
τ1=[R（2RL+R）C1]/（R+RL）
同理，在电源E负半周内电路的输出为：
IL（t）=[E/（R+RL）]（1-e-t/τ2）
τ2=[R（2RL+R）C2]/（R+RL）
输出电流的平均值IL为：IL=（1/T）∫T0[IL′- IL ]dt
IL=E[（R+2RL）/（R+RL）2]Rf（C1-C2-C1e-k1+C2e-k2）
式中：f—电源e的频率；
k1—系数，k1=（R+RL）/[2RfC1（R+2RL）]；
k2—系数，k2=（R+RL）/[2RfC2（R+2RL）]。
输出电压的平均值UL为：
UL=ILRL
适当选择电路中元件的参数以及电源频率f，使IL中指数项误差小于1%，于是得
UL≈E[（R+2RL）/（R+RL）2]RfRL（C1-C2）
五．实验仪器：
传感器系统实验台（1台）、计算机（1台）、导线、日立V-252示波器
六．实验步骤：
1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察两个可变电容的结构。
2．将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正、负输入与地短接。F/V表设为2V档，将差动放大器的输出端与F/V表的输入插孔Vi相连；开启主、负电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮，使F/V表显示为零，关闭主、副电源。
3． 图2。1接线
4． 将电容变换器增益调整到一定位置，使输出电压最大变化量小于20V，F/V表设为20V档，将测微头安装到可动极板的自由端（与自由端磁铁吸合），调节测微头使之处于未受测微头作用力位置，即F/V表显示最小，设F/V表为2V档，再旋动测微头，使F/V表显示为零，这时测微头刻度为零位的相应刻度。
5．将计算机与传感器系统实验台连线，计算机开机并运行传感器数据采集软件系统。
6．根据测量数值旋转测微头以零点为基准向上然后向下，使梁的自由端产生位移记下F/V表显示的值。建议每旋动测微头一周ΔX=0.5mm记下一个数值填入下表,同时,计算机每个数值采集一次。
表二：数值测量表
7．手工计算系统灵敏度 S=ΔV/ΔX，作出V-X关系曲线，写出计算机计算结果。
8．卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出正弦波形。调节激振器频率旋钮居中，记录下示波器输出波形和示波器设定值，计算此时激振器频率值。
七．注意事项
1． 在用激振器调节激振频率时，不要在共振点停留，避免损坏仪器。
2． 使用示波器时，建议输出电压小于4V。
八．实验分析和要求
1． 调节电容增益，通过计算机观察测量结果，分析输出情况。
2． 在第8步中去掉低通滤波器，观察示波器输出波形与接上低通滤波器时的差别，分析原因。