实验三电容式传感器的位移特性实验

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C=εS/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S、d中三个参数中，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（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组

式的电容量C在忽略边缘效应时为：              （1）

式中  ­l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；

          r₁、r₂ ——外圆筒内半径和内圆柱外半径。

当两圆筒相对移动­△l时，电容变化量△C为：

          （2）          

于是，可得其静态灵敏度为：

   （3）            

可见灵敏度与有关，r₁与r₂越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关，但l不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。

本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。

三、需用器件与单元

传感器实验模块、电容传感器、测微头、传感器调理电路挂箱

四、实验步骤

1．将电容式传感器装于传感器实验模块的黑色支架上，将差动电容传感器引线插头插入传感器调理电路中“电容式传感器实验”单元的“传感器接口”中。

2．Rw调节到大概中间位置（Rw为10圈电位器），将“电容传感器实验”单元的输出端Uo接入智能直流电压表。

3．打开“传感器调理电路”实验挂箱电源开关POWER2。

4．旋转测微头，改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表10-1。（此过程也可用采集卡中的传感器实验软件做）

表10-1 电容传感器位移与输出电压值

5．根据表10-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ_f。

五、实验注意事项

1．传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。

2．做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。

六、思考题

1．简述什么是电容式传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。

2．电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？

 

图10-1 电容传感器位移实验接线图

七、实验报告要求

1．整理实验数据，根据所得的实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器的非线性误差。

2．根据实验结果，分析引起这些非线性的原因，并说明怎样提高传感器的线性度。

第二篇：06电容式传感器的位移特性实验

中 南 大 学

                仪器与自动检测实 验 报 告

冶金科学与工程   院  系   冶金专 业   10级试验班  级

 姓  名  陈晓晨   学  号  0505100102    同组者  席昭  等          

 实验日期    2013  年 4 月 08 日      指导教师            

实验名称：    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

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：

式中，S为极板面积，d为极板间距离， 真空介电常数，介质相对介电常数，由此

可以看出当被测物理量使 或 发生变化时，电容量 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。

2．将电容传感器模块的输出U 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

五、实验数据处理：

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δ 。

数据处理：

灵敏度S=-0.0075V/mm

六、实验结果分析

   通过本次实验，同学们在老师的悉心指导下，了解了电容传感器的结构及特点。总体来说，这个实验还是比较简单的。主要的基本原理，在基础课上都有学过，因而理解起来相对容易。实验过程主要就是认真去对待，这样才能尽可能的减小实验误差。

尤其要注意的一点是，在接入±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，使得直流电压表显示为零时后，Rw位置不能再改变了。其实在这个实验中，我们意识到了熟悉原理的重要性。因为只有这样，我们才能从原理的本质去解释实验中的现象和实验所得的结果。