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1、实验二:电容传感器性能测试实验一 实验类型:验证型。二 学时分配:2学时。三 实验目的:1 电容传感器原理及典型应用。2掌握用示波器测量振荡频率的方法四实验原理:电容式传感器的基本原理可以从图中来说明。当忽略边缘效应时,其电容C为:C= S/=r0 S/其中:S-极板相对覆盖面积;-极板间距离;r-相对介电常数;0-真空介电常数;-电容极板间介质的介电常数。实际应用时,常常仅改变、S、之中的一个参数使C变化。电容式传感器可以分为三种基本类型:变间距、变面积、变介电常数型。电容/电压变换器是双T型标准变换电路,功能为将输入两个电容器电容的差值转换为电压信号输出。图中e为一对称方波的高频电压源;C
2、1、C2为差动式传感器的电容;RL为负载电阻;V1,V2为两个二极管;R1,R2为固定电阻。电路工作原理如下:当电源e为正半周时,V1导通,V2截止,电容C1很快被充电至电压E,电源E经R1以电流I1向负载RL供电。与此同时,电容C2经R2和RL放电,放电电流为I2(t)。流经RL的电流IL(t)的电流是I1(t)和I2(t)之和。当电源e为负半周时,V1截止,V2导通,此时C2很快被充电至电压E,而流经RL的电流IL(t)为由E供给的电流I2和C1的放电电流I1(t)之和。如果V1与V2的特性相同,且C1=C2,R1=R2=R则流经RL的电流IL(t)和IL(t)的平均值大小相等,极性相反。
3、因此,在一个周期内流经RL的平均电流为零,RL无输出信号。当C1、C2变化时,在RL产生平均电流不为零,因而有信号输出。利用电路分析求得在电源E负半周内电路的输出为:IL(t)=E/(R+RL)(1-e-t/1) 1=R(2RL+R)C1/(R+RL)同理,在电源E负半周内电路的输出为:IL(t)=E/(R+RL)(1-e-t/2) 2=R(2RL+R)C2/(R+RL)输出电流的平均值IL为:IL=(1/T)T0IL- IL dtIL=E(R+2RL)/(R+RL)2Rf(C1-C2-C1e-k1+C2e-k2)式中:f电源e的频率;k1系数,k1=(R+RL)/2RfC1(R+2RL);k
4、2系数,k2=(R+RL)/2RfC2(R+2RL)。输出电压的平均值UL为: UL=ILRL适当选择电路中元件的参数以及电源频率f,使IL中指数项误差小于1%,于是得ULE(R+2RL)/(R+RL)2RfRL(C1-C2)五实验仪器:传感器系统实验台(1台)、计算机(1台)、导线、日立V-252示波器六实验步骤:1了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置,观察两个可变电容的结构。 2将差动放大器调零:用连线将差动放大器的正、负输入与地短接。F/V表设为2V档,将差动放大器的输出端与F/V表的输入插孔Vi相连;开启主、负电源;调节差动放大器的增益到最大位置,然后调整差动放大器的调零旋钮,使F/
5、V表显示为零,关闭主、副电源。3 图2。1接线4 将电容变换器增益调整到一定位置,使输出电压最大变化量小于20V,F/V表设为20V档,将测微头安装到可动极板的自由端(与自由端磁铁吸合),调节测微头使之处于未受测微头作用力位置,即F/V表显示最小,设F/V表为2V档,再旋动测微头,使F/V表显示为零,这时测微头刻度为零位的相应刻度。5将计算机与传感器系统实验台连线,计算机开机并运行传感器数据采集软件系统。6根据测量数值旋转测微头以零点为基准向上然后向下,使梁的自由端产生位移记下F/V表显示的值。建议每旋动测微头一周X=0.5mm记下一个数值填入下表,同时,计算机每个数值采集一次。 表二:数值测
6、量表位移(mm)-2.50-2.00-1.50-1.000.500.000.501.001.502.002.50电压(V)7手工计算系统灵敏度 S=V/X,作出V-X关系曲线,写出计算机计算结果。8卸下测微头,断开电压表,接通激振器,用示波器观察输出正弦波形。调节激振器频率旋钮居中,记录下示波器输出波形和示波器设定值,计算此时激振器频率值。七注意事项1 在用激振器调节激振频率时,不要在共振点停留,避免损坏仪器。2 使用示波器时,建议输出电压小于4V。八实验分析和要求1 调节电容增益,通过计算机观察测量结果,分析输出情况。2 在第8步中去掉低通滤波器,观察示波器输出波形与接上低通滤波器时的差别,分析原因。