姓名____________班级____________学号____________实验七 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掌握测量方法二、基本原理：1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的电容传感器的输出是电容的变化量利用电容C＝εA／d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，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）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7—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=ε2pｘ／ln(R／r)图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C =C1－C2=ε2p2∆X／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)为常数，说明∆C与∆X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图7—1 实验电容传感器结构1、 测量电路(电容变换器)：测量电路画在实验模板的面板上其电路的核心部分是图16—2的二极管环路充放电电路图7—2 二极管环形充放电电路在图7—2中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和CX1、CX2（实验差动电容位移传感器）组成当高频激励电压(ｆ>100kHz)输入到ａ点，由低电平E1跃到高电平E2时，电容CX1和CX2两端电压均由E1充到E2充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对CX1充电到O点(地)；另一路由由ａ点经C4到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点此时，D4和D6由于反偏置而截止在t1充电时间内，由ａ到c点的电荷量为：Q1＝CX2(E2-E1) （7—1） 当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均放电CX1经b点、D4、c点、C4、ａ点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点在t2放电时间内由c点到ａ点的电荷量为：Q2＝CX1(E2-E1) （7—2）当然，（7—1）式和（7—2）式是在C4电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。
电容C4的充放电回路由图7—2中实线、虚线箭头所示在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由c点到ａ点的电荷量为： Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E （7—3）式中：CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）设激励电压频率f＝1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为： i＝fＱ＝f△CX △E （7—4） 式中：△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量由（7—4）式可看出：f、△E一定时，输出平均电流i与△CX成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝I Rw由传感器原理已知∆C与∆X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知∆X位移2、 电容式位移传感器实验原理方块图如图7—3图7—3电容式位移传感器实验方块图三、需用器件与单元：主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头四、实验步骤：1、按图7—4示意安装、接线图7—4 电容传感器位移实验安装、接线示意图2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传３圈)。
3、将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V ，再转动测微头(同一个方向)6圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数(这样转12圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表7(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)表7 电容传感器位移实验数据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根据表7数据作出实验曲线，实验完毕关闭电源开关。