电容式传感器的位移特性实验

实验序号：      实验十六            

      系别：      电子通信工程系         

      班级：          电****班         

      组别：           第五组            

      成员：1****************  连接线路  

            120******  ******  引导实验 

120/////4  ******  记录数据 

12******8  ****    撰写报告  

20##年3月30日

 

一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：利用平板电容和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、A、d三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）、测微小位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、数显单元（主控台电压表）、直流稳压源。

四、实验步骤：

1、按图3-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。

 

2、将电容传感器专用连线插入电容传感器实验模块专用接口，接线图如下。

3、将电容传感器实验模块的输出端V_o1与数显表单元（主控台电压表）V_i相接（插入主控箱V_i孔），Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.5mm记下位移X与输出电压值（此时电压档位打在20v），填入表4-1。

表4-1   电容传感器位移与输出电压值

5、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差_f。

第二篇：实验三 电磁式传感器

实验三     电磁式传感器

（一） 差动变压器的性能实验

一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：差动变压器同一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接(同名端连接)，就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、电感式传感器、音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。

四、实验步骤：

1、根据图3-1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

                       图3-1  差动变压器电容传感器安装示意图

2、在模块上近图3-2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的L _v端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4～5KHz(可用主控箱的数显表的频率档Fin输入来监测)。调节幅度使输出幅度为峰一峰值 V _p-p=2V(可用示波器监测：X轴为0.25ms/div、Y轴CH ₁为1V/div、CH ₂为20mv/div)。判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3-2接线。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级圈波形(L _v音频信号V _p-p=2V波形)比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。图中(1)、(2)、(3)、(4)为模块中的实验插孔。

 

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰一峰值V_p-p为最小。这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一方向移为负。从V_p-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压V_p-p值填入下表(3-1)。再从V_p-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

表(3-1)差动变压器位移ΔX值与输出电压V_p-p数据表

4、实验过程中注意差动变压输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。

根据表4-1画出V_op-p-X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

>> axis([0 7.5 233 336 ]);

coords=[0,1.5,3.0,4.5,6.0,7.5;233,248,264,288,312,366];

grid;

hold;

plot(coords(1,:),coords(2,:),'*');

x=coords(1,:)

y=coords(2,:)'

b=size(coords);

c=ones(1,b(2));

MT=[c;x];

M=MT';

f=inv(MT*M)*MT*y

['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]

x=-max(x):0.01:max(x);

y=f(1)+f(2)*x;

mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y));

fprintf('传感器的系数灵敏度S=%5.3f%%\n',abs(f(2)));

fprintf('非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake);

plot(x,y);

xlabel('x/mm');

ylabel('V/mv');

title('差动变压器的性能试验');

legend(['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]);

计算结果:

ans =

y=16.781x+222.2381

传感器的系数灵敏度S=16.781%

非线性误差f=-0.413%

五、思考题：

1）用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅填，可以吗？差动变压器测量频率的上限受到什么影响？

答:可以,受铁磁材料磁感应频率响应上限影响。

2）试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

答：差动变压器一般用于作为检测元件，而一般变压器作为电源变换部件或者信号转换部件；差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及铁心组成，当传感器随着被测物体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变换，使次级线圈产生感应电势的变化，而两只次级线圈是同名端相连，就引出差动输出，其输出电势反映出来的就是被测体的位移量。而一般电源变压器就是把连个线圈套在同一个铁心上构成的。

（五） 电涡流传感器位移实验

一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：

1、根据图3－7安装电涡流传感器。

图3－7  电涡流传感器安装示意图

2、传感器结构，这是一个扁平绕线圈。

     ３、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有Ｌ的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。

     ４、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

５、将实验模板输出端V₀与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。

６、用连接导线从主控台接入＋15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。

７、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表3-4。

表3-4电涡流传感器位移X与输出电压数据

8、根据表4-4数据，画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点，试计 算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

axis([10.5 18.5 0.66 7.9]);

coords=[10.5:1:18.5,19.5;0.66,2.01,3.35,4.55,5.55,6.32,6.90,7.34,7.67,7.9];

grid;

hold;

plot(coords(1,:),coords(2,:),'*');

x=coords(1,:)

y=coords(2,:)'

b=size(coords);

c=ones(1,b(2));

MT=[c;x];

M=MT';

f=inv(MT*M)*MT*y

['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]

x=-max(x):0.01:max(x);

y=f(1)+f(2)*x;

mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y));

fprintf('传感器的系数灵敏度S=%5.3f%%\n',abs(f(2)));

fprintf('非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake);

plot(x,y);

xlabel('x/mm');

ylabel('V/v');

title('电涡流传感器的性能试验');

legend(['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]);

计算结果：

ans =

y=0.80333x+-6.825

传感器的系数灵敏度S=0.803%

非线性误差f=0.340%

五、思考题：

1）电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？

答：金属导体的电阻率c，厚度t，线圈的励磁电流角频率ω以及线圈与金属块之间的距离x等参数有关。

2）用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

答：可以通过贴金属片等方式进行测量。

3）请解释本实验中的“信号获取电路”的原理及电路参数。

答：采用定频调幅式测量电路。

（六） 被测体材质对电涡流传感器特性影响

一、实验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

     二、基本原理：涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

三、需用器件与单元：除与实验（五）相同外，另加铜和铝的被测体小圆盘。

四、实验步骤：

1、传感器安装与实验（五）相同。

2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。

       3、重复实验（五）步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表3-5和表3-6。

表3-5被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据

表3-6被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据

4、根据表3-5和表3-6分别计算量程为1mm和３mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。 

被测体为铝圆片

>> axis([1.04 10.04 1.79 8.37]);

coords=[1.04:1:10.04;1.79,4.26,5.84,6.84,7.43,7.8,8.03,8.21,8.30,8.37];

grid;

hold;

plot(coords(1,:),coords(2,:),'*');

x=coords(1,:)

y=coords(2,:)'

b=size(coords);

c=ones(1,b(2));

MT=[c;x];

M=MT';

f=inv(MT*M)*MT*y

['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]

x=-max(x):0.01:max(x);

y=f(1)+f(2)*x;

mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y));

fprintf('传感器的系数灵敏度S=%5.3f%%\n',abs(f(2)));

fprintf('非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake);

plot(x,y);

xlabel('x/mm');

ylabel('V/v');

title('电涡流传感器被测物体为铝的性能');

legend(['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]);

计算结果：

ans =

y=0.626x+3.219

传感器的系数灵敏度S=0.626%

非线性误差f=0.043%

被测体为铜圆片

axis([0.1 9.1 1.47 8.25]);

coords=[0.1:1:9.1;1.47,3.55,5.30,6.44,7.15,7.59,7.85,8.04,8.16,8.25];

grid;

hold;

plot(coords(1,:),coords(2,:),'*');

x=coords(1,:)

y=coords(2,:)'

b=size(coords);

c=ones(1,b(2));

MT=[c;x];

M=MT';

f=inv(MT*M)*MT*y

['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]

x=-max(x):0.01:max(x);

y=f(1)+f(2)*x;

mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y));

fprintf('传感器的系数灵敏度S=%5.3f%%\n',abs(f(2)));

fprintf('非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake);

plot(x,y);

xlabel('x/mm');

ylabel('V/v');

title('电涡流传感器被测物体为铜的性能');

legend(['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]);

计算结果:

ans =

y=0.67673x+3.2671

传感器的系数灵敏度S=0.677%

非线性误差f=-0.026%

5、分别比较实验（五）和本实验所得结果进行小结。

传感器特性与被测物体的导电率、磁导率有关，被测物体的灵敏度：铁>铜>铝，可以得到磁导率越低的材料，传感器灵敏度越高。

五、思考题：

当被测体为非金属材料，如何利用电涡流传感器进行测试？

答：在被测物体表面贴上一层金属材料，测量出材料的厚度，然后把测量出的数据减去材料的厚度即为真实值。

（七） 被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验

    一、实验目的：了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。

    二、基本原理：电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。

三、需用器件与单元：直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同面积的铝被测体、数显单元。

四、实验步骤：

1、传感器安装见图3-7面静态特性实验相同。

2、按照测静态特性实验要求连接好测量线路。

     3、在测微头上分别用两种不同的被测铝（小圆盘、小圆柱体）进行电涡流位移特性测定，分别记入表3-7。

表3-7不同尺寸时的被测体特性数据

4、根据表3-7数据计算目前范围内二种被测体1号、2号的灵敏度、并说明理由。

被测物体1（铝圆盘）：

通过试验(六)的计算可得:

ans =

y=0.626x+3.219

传感器的系数灵敏度S=0.626%

非线性误差f=0.043%

被测物体2（铝圆柱）：

axis([1.04 10.04 2.57 8.46]);

coords=[1.04:1:10.04;2.57,4.81,6.32,6.84,7.55,7.94,8.19,8.31,8.40,8.46];

grid;

hold;

plot(coords(1,:),coords(2,:),'*');

x=coords(1,:)

y=coords(2,:)'

b=size(coords);

c=ones(1,b(2));

MT=[c;x];

M=MT';

f=inv(MT*M)*MT*y

['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]

x=-max(x):0.01:max(x);

y=f(1)+f(2)*x;

mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y));

fprintf('传感器的系数灵敏度S=%5.3f%%\n',abs(f(2)));

fprintf('非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake);

plot(x,y);

xlabel('x/mm');

ylabel('V/v');

title('电涡流传感器被测物体为铝圆柱的性能');

legend(['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]);

计算结果：

ans =

y=0.56079x+3.8322

传感器的系数灵敏度S=0.561%

非线性误差f=0.051%

通过实验可知，由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，当被测物体为圆柱且探头中心线与轴心线正交时，被测轴直径小会导致传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。所以铝片的灵敏度大于铝柱的灵敏度。

五、思考题：

目前现有一个直径为10mm的电涡流传感器，需对一个轴直径为8mm的振动进行测量？试说明具体的测试方法与操作步骤。

答：在被测物体表面附上一层相同材料的直径大一些的材料，然后测出材料的厚度，测出的数据减去材料的厚度，就是要测量的距离。

实验总结

通过本次实验让我了解了差动变压器、电涡流传感器的使用方法，也让我更加深刻了它们的工作原理。