1、實(shí)驗(yàn)一 電容式傳感器的位移實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師：楊倩E-mail：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理 電容式傳感器是利用電容器的原理將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化。 應(yīng)用：不但廣泛的應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量而且可以用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測(cè)量。電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式 由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為： 式中：r 相對(duì)介電常數(shù)； 0 真空中的介電常數(shù)，0=8.8510-12 F/m； S 兩極板間相互覆蓋面積； d 兩極板之間的距離。

2、當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、 d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。電容式傳感器可分為變間隙（極距）型、變面積型和變介電常數(shù)（介質(zhì)）型三種。0rSSCdd 變間隙（極距）型、變面積型和變介電常數(shù)（介質(zhì)）型電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式變間隙（極距）型電容傳感器變間隙（極距）型電容傳感器 變極距型電容式傳感器 當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，可知其初始電容量C0為 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有000dSCr000001rSCCCCdddd 電容量與極板間距離的關(guān)系電容量與極板間距離的關(guān)系 若d/d01時(shí)，則展成級(jí)數(shù)： 此時(shí)C與d近似呈線

3、性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。 靈敏度： 可見(jiàn)，要提高靈敏度，應(yīng)減小d0。但d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。2300000011ddddCCCdddd00ddCC00dCdCSn靈敏度： 上述等式成立的條件是：d/d01時(shí)，高次項(xiàng)省略，若保留二次項(xiàng)，則有： 電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差： 可見(jiàn)，要提高靈敏度，須減小起始間隙d0，但此時(shí)相對(duì)非線性誤差增大。所以為使二者兼得，常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，即使其中一個(gè)電容器的電容C1隨位移d增加，而另一個(gè)電容器的電容C2則減小。00dCdCSn)1 (000ddddCC0/100%d d差動(dòng)式結(jié)構(gòu)為提高靈敏度和線

4、性度，克服電源電壓、環(huán)境溫度變化等外界條件影響，常采用差動(dòng)式電容傳感器上下兩極板是固定極板，中間極板是活動(dòng)極板未開(kāi)始測(cè)量時(shí)將活動(dòng)極板調(diào)整在中間位置，兩邊電容相等。測(cè)量時(shí)，中間極板向上或下平移，就會(huì)引起電容量的上增下減或反之。當(dāng)動(dòng)極板向上位移時(shí)：電容器C1的間隙1變?yōu)? ；電容器C2的間隙2變?yōu)?+ ；則： 在 / 0100kHz)輸入到點(diǎn)，由低電平E1躍到高電 平E2時(shí)，電容CX1和CX2兩端電壓均由E1充到E2。 線路一：點(diǎn)經(jīng)D3到b點(diǎn)，再對(duì)CX1充電到O點(diǎn)(地) 線路二：點(diǎn)經(jīng)C4到c點(diǎn)，再經(jīng)D5到d點(diǎn)對(duì)CX2充電到O點(diǎn)。此時(shí)，D4和 D6由于反偏置而截止。在t1充電時(shí)間內(nèi)，由到c點(diǎn)的電荷量

5、為： Q1CX2(E2-E1) （1）放電：當(dāng)高頻激勵(lì)電壓由高電平E2返回到低電平E1時(shí)，電容CX1和CX2均 放電。 線路一：CX1經(jīng)b點(diǎn)、D4、c點(diǎn)、C4、點(diǎn)、L1放電到O點(diǎn) 線路二：CX2經(jīng)d點(diǎn)、D6、L1放電到O點(diǎn)。在t2放電時(shí)間內(nèi)由c點(diǎn)到點(diǎn)的電荷量為： Q2CX1(E2-E1) （2）式（1）（2）是C4電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C4的充放電回路如圖中實(shí)線、虛線箭頭所示。在一個(gè)充放電周期內(nèi)（t1t2），由c點(diǎn)到點(diǎn)的電荷量為： Q2-Q1(CX1-CX2)(E2-E1)CX E 在一個(gè)充放電周期內(nèi)（t1t2），由c點(diǎn)到點(diǎn)的電荷量為： Q2-Q1(

6、CX1-CX2)(E2-E1)CX E 式中：CX1與CX2的變化趨勢(shì)是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動(dòng)式）。 設(shè)激勵(lì)電壓頻率f1/T，則流過(guò)ac支路輸出的平均電流i為：iffCX E 式中：E激勵(lì)電壓幅值；CX傳感器的電容變化量。可看出：f、E一定時(shí)，輸出平均電流i與CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L2、電容C5濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)Rw轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1I Rw。由傳感器原理已知C與X位移成正比，所以通過(guò)測(cè)量電路的輸出電壓Vo1就可知X位移。需用器件與單元 主機(jī)箱15V直流穩(wěn)壓電源 電壓表 電容傳感器 電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?測(cè)微頭實(shí)驗(yàn)步驟： 1、按圖示安裝、接線。電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)安裝、接線示意圖 2、將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞w調(diào)節(jié)到中間位置(方法：逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底再順時(shí)傳圈)。 3、將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開(kāi)關(guān)打到2V檔，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭改變電容傳感器的動(dòng)極板位置使電壓表顯示0V ，再轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭(同一個(gè)方向)6圈，記錄此時(shí)的測(cè)微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)值。以后，反方向每轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭1圈即X=0.5mm位移讀取電壓表讀數(shù)(這樣轉(zhuǎn)13圈讀取相應(yīng)的電壓表讀數(shù))，將數(shù)據(jù)填