实验十一电容式传感器的位移实验

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＝ε A／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 、A、d 中三个参数中，保持二个参数不变，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A） 等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图11-1 所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πx/ln(R/r)。图中Cl、C2是差动连接，当图中的圆柱产生ΔX位移时，电容量的变化量为

ΔC=C1-C2=ε2π2ΔX/ln(R/r)，式中ε2π、ln(R/r)为常数，说明ΔC与位移ΔX成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

三、 需用器件与单元：

机头静态位移安装架、传感器输入插座、电容传感器、测微头、主板F/V 表、电容输出口、电容变换器、差动放大器。

四、 实验步骤：

1、差动放大器调零：按图11-2 所示接线。将F/V 表的量程切换开关切换到2V 档，合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。再关闭主电源。

图 11-2 差动放大器调零接线图

2、电容传感器的位移测量系统电路调整： 将电容传感器安装在机头的静态位移安装架上(传感器动极片连接杆的标记刻线朝上方)并将引线插头插入传感器输入插座内，如图11-7 的机头部分所示。再按图11-3 主板部分的接线示意图接线，将F/V 表的量程切换开关切换到20V 档，检査接线无误后合上主电源开关，将电容变换器的拨动开关拨到“开”位置并将电容变换器的增益顺针方向慢慢转到底再反方向回转半圈。拉出（向右慢慢拉)传感器动极片连接杆，使连接杆上的第二根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的增益旋钮使电压表显示绝对值为IV 左右；推进(向左慢慢推)传感器动极片连接杆，使连接杆上的第一根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的调零旋钮(0 电平迁移) 使电压表反方向显示值为IV 左右。重复这一过程，最终使传感器的二条标记刻线（传感器的位移行程范围）对应于差动放大器的输出为V左右。

图11-3

3、安装测微头：

首先调节测微头的微分筒，使微分筒的0 刻度线对准轴套的20mm 处，再将测微头的安装套插入静态位移安装架的测微头安装孔内并使测微头测杆与传感器的动极片连接杆吸合；然后移动测微头的安装套使传感器连杆上的第二

根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐后拧紧测微头安装孔上的紧固螺钉， 如图11-3 机头部分所示。

4、传感器位移特性

实验安装好测微头后(测微头的微分筒0 刻度线对准轴套的20mm 处），读取电压表显示的电压值为起始点，再仔细慢慢顺时针转动测微头的微分筒—圈Δx=0.5mm(不能 转动过量，否则回转会引起机械回程差)从F/V 表上读出输出电压值，填入下表， 直到传感器连杆上的第一根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐为止。

五、实验结果：

1、实验数据： X(mm) V(V) 15.5 1.019 10.5 20 1.019 15 1.019 10 19.5 1.02 14.5 1.019 9.5 19 1.02 14 1.019 9 18.5 1.02 13.5 1.018 8.5 18 1.02 13 1.018 8 17.5 1.02 12.5 1.018 7.5 17 1.019 12 1.017 7 16.5 1.019 11.5 1.015 6.5 16 1.019 11 1.014 6 1.012 5.5 1.002 0.5 1.004 1.010 5 1.002 0 1.005 1.009 4.5 1.002 1.008 4 1.002 1.007 3.5 1.002 1.006 3 1.002 1.005 2.5 1.002 1.004 2 1.002 1.003 1.5 1.002 1.003 1 1.003 2、ΔX-Vmatlab拟合曲线

3、 上图可知，线性度较好的范围大致在0.2~1.0范围

4、根据数据表计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差L S=0.001042

L=26/1574.2=1.65%