1、姓名級號實驗七電容式傳感器的位移實驗一、實驗目的：了解電容式傳感器結構及其特點。掌握測量方法。二、基本原理：1、原理簡述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量轉換成電容量的變化來實現測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C- A/d關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇、A、d中三個參數中，保持二個參數不變，而只改變其中一個參數，則可以有測干燥度（&變）、測位移（d變）和測液位（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。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結構的電容式位移傳 感器，差動

2、式一般優于單組（單邊）式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩定性高。如圖 7 1所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設圓筒的半徑為R;圓柱的半徑為r;圓柱的長為x,則電容量為0= 2 x/ln（R /r）。圖中C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產生 ?X位移時，電容量的變化量為 ？C =C1 C2= 2 2?X/ln（R /r），式中 2 、ln（R /r）為 常數，說明?C與?X位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。f風ft圓麻圓簡1C1C2連桿圖7 1實驗電容傳感器結構1、測量電路（電容變換器）：測量電路畫在實驗模板的面板上。其電路的核心部分是圖16 2的二極管環路充放電電路。圖7

3、2二極管環形充放電電路在圖7 2中，環形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、C4電容、L1電感和CxiCX2(實驗差動電容位移傳感器)組成。當高頻激勵電壓(f 100kHz)輸入到a點，由低電平 E1躍到高電平E2時，電容Cxi和 CX2兩端電壓均由E1充到E2。充電電荷一路由a點經 D3到b點，再對Cxi充電到0點(地)； 另一路由由a點經 C4到c點，再經D5到d點對Cx2充電到0點。此時，D4和D6由于反偏置 而截止。在t1充電時間內，由a到 c點的電荷量為：Ql = CX2(E 2-E1)(7 1)當高頻激勵電壓由高電平 E2返回到低電平 E1時，電容CX1和CX2均放電。CX1

4、經b點、 D4、c點、C4、a點、L1放電到0點；CX2經d點、D6、L1放電到0點。在t2放電時間內由 c點到a點的電荷量為：Q2= CX1(E2-E1)(7 2)當然，(71)式和(7 2)式是在C4電容值遠遠大于傳感器的 CX1和CX2電容值的前 提下得到的結果。電容 C4的充放電回路由圖 7 2中實線、虛線箭頭所示。在一個充放電周期內(T= t 1 + t2),由c點到a點的電荷量為：Q = Q2-Q1 = (Cx1-Cx2)(E 2-E1) = Cx E(73)式中：CX1與CX2的變化趨勢是相反的(傳感器的結構決定的，是差動式)。設激勵電壓頻率f = 1/T，則流過ac支路輸出的平

5、均電流i為：(7 4)=f Q= f Cx E式中： E激勵電壓幅值； C傳感器的電容變化量。由（7 4）式可看出：f、 E 一定時，輸出平均電流i與厶Cx成正比，此輸出平均電流i經電路中的電感L2、電容C5濾波變為直流I輸出，再經Rw轉換成電壓輸出 Vol = I Rw 由傳感器原理已知？C與?X位移成正比，所以通過測量電路的輸出電壓Vol就可知?X位移。2、電容式位移傳感器實驗原理方塊圖如圖73圖73電容式位移傳感器實驗方塊圖、需用器件與單元：主機箱土 15V直流穩壓電源、電壓表；電容傳感器、電容傳感器實驗模板、測微頭。四、實驗步驟:1、按圖7 4示意安裝、接線。I1I itl7電區表圖7

6、4電容傳感器位移實驗安裝、接線示意圖.-r L：鮎LA .N + I xI1 F5- riid笨刊鷹辛T嚴*2、將實驗模板上的 Rw調節到中間位置（方法：逆時針轉到底再順時傳3圈）。3、將主機箱上的電壓表量程切換開關打到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關,旋轉測微頭改變電容傳感器的動極板位置使電壓表顯示0V，再轉動測微頭（同一個方向）6圈，記錄此時的測微頭讀數和電壓表顯示值為實驗起點值。以后，反方向每轉動測微頭1圈即 X=0.5mm位移讀取電壓表讀數（這樣轉12圈讀取相應的電壓表讀數），將數據填入表7（這樣單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的回差）。表7電容傳感器位移實驗數據X(mm)15.3 15.816.3 16.817.317.818.318.819.319.820.320.8V(mV)193177163141128110937561452914X(mm)12.513.013.514.014.515.015.516.016.517.017.518.0V(mV)248238226213198185171155141128112994根據表7數