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1、差动变面积式电容传感器实验的改进ExperimentalimprovementofdifferentialcapacitancesensorbasedonvariableareaLiuYuyanNorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing，102206，China：Theexperimentofdifferentialcapacitancesensorbasedonvariableareaiscompulsoryinthesensorprincipleteaching.Thecurrentproblemsareanalysedintheexperiment
2、alteaching.Theimprovementmeasuresareputforward.Thetransitionisimplementedfromverificationtodesign.Thestudentsinterestofexperimentisstimulated.Thelearningenthusiasmandinitiativeofthestudentstodoexperimentsareimproved.传感器原理及应用是高等院校测控专业重要的必修专业课。该课程实用性强，对应的实验课程较多，有平时课内实验和期末的传感器综合实验。差动变面积式电容传感器特性实验是其中一个2
3、学时的必修实验。目前，学生做此实验的兴趣不大，积极性不高。其原因主要是此实验为验证性实验，学生按照实验指导书的步骤进行，实验过程枯燥乏味。美国著名心理学家布鲁纳曾说过：“学习的最好刺激，乃是对所学教材的兴趣。”教育心理学认为，教师的首要任务是调动学生对所学课程的兴趣，进而让学生获得强烈的求知欲，从中获得一种收获的喜悦和快感。为此，笔者对实验内容做了改进。本文详细介绍差动变面积式电容传感器的原理、实验过程以及实验的改进措施。1实验原理和实验过程用两块金属平板作电极可构成最简单的电容器。一般电容式传感器可以分成三种类型：变面积型、变介质介电常数型、变极板间距型。本文只讨论变面积型，其原理如图1所示
4、1。图1变面积型电容传感器由于差动式电容传感器使灵敏度提高了一倍，故应用广泛。差动变面积式电容传感器结构如图2所示，其中，1为传感器的动片，2和3为传感器定片。在零位移条件下，即电容动片1位于定片2和3中间时，结构电容C1与C2均为C0,差电容AC=C1-C2为零。在位移信号作用下，即当动片1上下移动时，其将分别与2和3构成的面积差动变化，结构电容C1与C2一个增大，一个减小，从而引起差分电容的线性变化。通过测量差分电容AC,可获得相应的位移量的大小，差分电容变化与位移信号为线性关系2。差分电容的电路示意图如图3所示3。图2差动电容传感器原理图图3差分电容的电路示意图在实际使用中，单片的差动电
5、容式传感器的电容量变化幅度比较小，当位移量较小时，其输出信号量比较微弱，易对后续测量造成不良影响。因此，采用差动式、多定片与多动片级连的形式解决这个问题4，由两块固定板和一块活动板组成，其中固定板分别由三块平行的金属板串联而成，三块金属板之间的间距相等，面积一致。活动板固定在振动圆盘上，通过测微头带动其上下移动，活动板的两边各有两片金属极片，分别与两固定板的金属板保持严格的平行且上下间距一致。当金属板的面积较大，电容板之间的间距较小时，边缘效应的影响可以忽略不计。故金属板之间的电磁场可以看做是均匀的。该差动电容传感器可等效为两个可变电容，其中由固定板1构成的是电容C1，由固定板2构成的是电容C
6、2,活动板为两电容的中间抽头。当将C1和C2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关5。传感器的工作特性通过其静态、动态特性直接反映出来。测量系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性。测量系统的静态特性又称刻度特性、标准曲线或校准曲线。与动态特性相比，静态特性更能反映传感器的各项指标，传感器静态特性的基本参数主要是指线性度、迟滞性、重复性和静态误差6。以零位移为起点，向上和向下位移电容动片，每次0.5mm,直至动片与一组静片全部重合为止，此时输出最大。记录数据，并作出V-X曲线，求得灵敏度。当差动放大器增益置最小
7、，电容变换器增益置最大时，得的测量结果见表1。本文实验结果基于浙江大学仪器系生产的CSY10A专感器系统实验仪，在Matlab里运行以下语句得位移电压图（如图4所示）。x=-7：0.5：7；y=-174-164-153-141-127-116-103-90-76-64-51-38-25-13012253750627588101114127138147154159；p=polyfit（x，y，1）y1=polyval（p，x）；plot（x，y1，x，y，ro）p=24.8700-1.5862表1位移与电压关系数据表（其中X单位为mm，V单位为mV）图4位移-电压图图4表明，在整个测试范围内（m
8、m7mm）,位移的变化与输出电压呈良好的线性关系，与理论分析结果完全一致，与同类型的传感器相比，具有较高的分辨率、线性度和稳定性。2实验的改进实验台架上是最简单的长方形的动片和静片，在此实验中，可以让学生自己设计动片和静片的形状，如圆形、三角形、梯形、扇形等。首先进行理论分析，然后通过实验加以验证，最后可以从灵敏度、线性度等方面比较学生的实验结果。这样，既丰富了实验内容，又给学生留下充分想象的思维空间，激发了学生做实验的兴趣，培养了创新意识。由于实验结果不唯一，不用担心学生抄袭实验报告，并且形成了一种良好的竞争机制，使学生由被动实验转为主动探索。笔者以圆形动片为例进行简单说明。其中圆片半径为1
9、，上下动片的形状为边长等于2的方形（如图5所示）。a位移为0时b位移为x时c位移为1时图5动片为圆形时差动电容传感器原理图图5中b是位移为x时：其中为两极板间介质的介电常数；S1和S2分别为动片与上下静片相互覆盖面积；d为两极板间距离；x为从0到1的位移量。特殊地，当x为0时，AC=Q即动片位于上下静片中间时（如图5a所示）；当x为1时，AC=兀/d,即动片与下静片重合时（如图5c所示）。以上推导忽略了上、下静片间隙与动片的相对面积。灵敏度为：在Matlab中运行如下语句，得电容-位移关系图（如图6所示）。x=-1：0.05：1y=pi-（2*acos（x）+2*x.*（1-x.八2）.八（1
10、/2）z=2*（1-x八2）八（1/2）+（2-2*x.A2）.*（1-x八2）八（-1/2）plot（x，y，x，z）注：data1为电容位移变化趋势曲线；data2为灵敏度变化趋势曲线。图6电容-位移关系图3结束语通过改进实验内容，学生增加了实验兴趣，课堂讨论氛围活跃，师生交流机会增多，增强了学生的自主学习能力，开阔了视野。此实验还应注意以下几个问题：（ 1）定极板与动极板之间的间距和安装平行度对输出也有明显的影响。间距小、安装平行度好，有利于提高信号质量。电容动片与两定片之间的片间距离需相等，必要时可稍做调整。位移和振动时均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变的问题。（ 2）由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时，测微仪虽然回到起始位置，但系统输出电压可能并没有回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向采集。上述因素都可能导致传感器出现测量误差，设计时应尽量考虑周密，把各种影响降到最小。如保证极板区域形状的一致性，极板材料的均匀性，采用最佳的工作激励频率等7。
