电容式传感器的位移实验
传感器实验
实验一 （1）金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：εK R R =∆/式中R R /∆为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，l l /∆=ε为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压UO14/εEK =。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模块的左上方的R 1、R2、R3、R 4。
加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，R 1= R 2= R 3= R 4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
2、接入模块电源±15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw 3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi 相连，调节实验模块上调零电位器Rw 4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V 档）。
关闭主控箱电源。
图1-1 应变式传感器安装示意图3、将应变式传感器的其中一个应变片R 1（即模块左上方的R 1）接入电桥作为一个桥臂与R 5、R 6、R 7接成直流电桥（R 5、R 6、R 7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw 1，接上桥路电源±4V （从主控箱引入）如图1-2所示。
检查接线无误后，合上主控箱电源开关。
调节Rw 1，使数显表显示为零。
传感器与检测技术实验报告
传感器与检测技术实验报告前言：位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。
在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。
按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。
模拟式又可分为物性型和结构型两种。
常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。
数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。
这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
一、电容式传感器1、传感器照片（luoshida-m30）2、应用场景管件材质：ABS塑料安装方式：齐平/非齐平检测距离：2-20mm/2-30mm可调节工作电压：10-40VDC输出方式：NPN/PNP NO/NC/NO+NC连接方式：2M PVC线缆3、测量原理这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。
这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。
当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由於它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。
这种接近开关检测的物件，不限於导体，可以绝缘的液体或粉状物等。
4、比较优点：温度稳定性好，结构简单，适应性强，动态响应好，可以实现非接触测量，具有平均效应：缺点：输出阻抗高，负载能力差，寄生电容影响大，输出特性非线性二、霍尔式位移传感器1、传感器照片（MIRAN-WOA-C-R角度位移）2、应用场景供电电压24V DC，输出信号有4-20MA、0-5V、0-10V等3、测量原理如果马达角度传感器构造运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。
此技术使用起来非常简单，而且非常有效;唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。
实验1 位移测量实验
实验三电涡流传感器位移测量实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图22.1.1所示。
根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流I1（频率较高，一般为1MHz～2MHz）时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。
我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图22.1.2的等效电路。
图22.1.1 电涡流传感器原理图图22.1.2 电涡流传感器等效电路图图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。
短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。
线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。
根据等效电路可列出电路方程组：通过解方程组，可得I1、I2。
因此传感器线圈的复阻抗为：线圈的等效电感为：线圈的等效Q值为：式中：Q0—无涡流影响下线圈的Ｑ值，Q0＝ωＬ1／R1；Ｚ22—产生电涡流部分的阻抗，Ｚ22＝R22+ω2L22。
由式Z、L和式Ｑ可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质因数Ｑ值都是该系统互感系数平方的函数，而从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可得互感系数是线圈与金属导体间距离x(H)的非线性函数。
因此Z、L、Ｑ均是ｘ的非线性函数。
虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。
其实Z、L、Ｑ的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。
如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。
位移测量及静态标定实验报告
位移测量及静态标定实验报告一、实验目的掌握常用的位移传感器的测量原理、特点及使用，并学会进行静态标定。
二、实验仪器CSY10B型传感器系统实验仪。
三、实验内容（一）电涡流传感器测位移实验1、测量原理：电涡流效应：扁平线圈中通以交变电流，与其平行的金属片中产生电涡流。
电涡流的大小影响线圈的阻抗Z。
Z = f（ρ，μ，ω，x）。
不同的金属材料有不同的ρ、μ，线圈接入相应的电路中，用铁、铝两种不同的金属材料片分别标定出测量电路的输出电压U与距离x的关系曲线。
2、测试系统组建电涡流线圈、电涡流变换器（包括振荡器、测量电路及低通滤波输出电路）、测微头、电压表、金属片（铁片和铝片）。
3、试验步骤①分别安装传感器、测微头；②连接电路；③依次用铁片、铝片进行位移测量，依次记录U(V) 铁片U(V) 铝片X/mmU(V) 铁片U(V) 铝片X/mmU(V) 铁片U(V) 铝片4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，确定量程范围（在实验曲线上截取线性较好的区域作为传感器的位移量程），估算非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。
（二）光纤传感器测位移实验1、测量原理反射式光纤传感器属于结构型, 工作原理如图。
当发光二极管发射红外光线经光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电元件。
经光电元件转换为电信号。
经相应的测量电路测出照射至光电元件的光强的变化。
2、组建测试系统光纤、光电元件、发光二级管、光电变换测量电路、数字电压表、反射体(片)、测微头。
3、实验步骤①观察光纤结构；②安装光纤探头、反射片；③连接电路；④旋动测微仪测位移，记录位移及测试系统的输出电压。
4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，实验曲线上截取线性较好的区域作为传感器的位移量程，估算非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。
（三）电容式传感器测位移实验1、测量原理电容式传感器是将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。
本实验采用的电容式传感器为二组固定极片与一组动极片组成二个差动变化的变面积型平行极板电容式传感器。
电容位移传感器 原理
电容位移传感器原理
电容位移传感器是一种常用的测量物体位移或位移变化的传感器。
其工作原理基于电容的变化。
在传感器中，将一个固定的电容作为基准电容，并将传感器与被测物体相连，使得被测物体成为可变电容。
通过测量可变电容与基准电容之间的差异，可以确定被测物体的位移情况。
当被测物体发生位移时，与之相连的电容也发生了变化。
电容的变化可以通过测量电容器的容量或电介质的介电常数来确定。
传感器中通常会使用一个射频信号来以一定频率充电，并测量充电和放电过程中电容的变化。
电容值的变化与被测物体的位移成正比。
由于电容的变化通常较小，所以传感器一般会采用灵敏度较高的测量电路来测量电容的变化。
传感器输出的信号可以是电容的绝对值，也可以是相对于初始状态的变化量。
为了减少干扰，传感器通常会进行屏蔽，以保证测量的精度和准确性。
同时，传感器还需要进行校准，以消除因实际物理环境变化引起的误差。
电容位移传感器具有精度高、响应快、非接触式等优点，广泛应用于工业自动化、机械装配、汽车制造等领域。
它对于位移的测量能力在微米级别，可满足精密测量的要求。
电容位移传感器原理
电容位移传感器原理
电容位移传感器是一种常用的测量设备，用于测量物体的位移变化。
它的原理是基于电容的变化，通过测量电容的变化来确定物体的位移。
电容是一个和两个电极相关的物理性质，表示电荷储存的能力。
当物体靠近电容器的一个电极时，电荷的储存量会增加，从而导致电容的增加。
反之，当物体远离电容器时，电荷的储存量会减少，导致电容的减小。
为了测量电容的变化，常用的方法是搭建一个电容传感器。
电容传感器一般由两个平行的金属电极构成，它们之间有一个绝缘材料隔离。
当物体靠近电容传感器时，物体会影响金属电极之间的电场分布，从而改变电容的大小。
通过测量电容的变化，可以计算出物体相对于传感器的位移。
一种常用的方法是将一个高频信号施加到电容传感器上，然后测量电容器两个电极之间的电压。
位移越大，电容的变化就越大，电压的变化也越大。
为了提高测量精度，还可以采用差分方法。
通过引入一个参考电容器，可以消除环境因素对测量结果的影响，从而提高测量的准确性。
总的来说，电容位移传感器利用电容的变化来测量物体的位移。
它具有简单、灵敏和可靠的特点，在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
传感器检测技术实验报告
《传感器与检测技术》实验报告姓名：学号：院系：仪器科学与工程学院专业：测控技术与仪器实验室：机械楼5楼同组人员：评定成绩：审阅教师：传感器第一次实验实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。
电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压 1/4o U EK ε=，其中K 为应变灵敏系数，/L L ε=∆为电阻丝长度相对变化。
三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四、实验步骤1. 根据接线示意图安装接线。
2. 放大器输出调零。
3. 电桥调零。
4.应变片单臂电桥实验。
测得数据如下，并且使用Matlab 的cftool 工具箱画出实验点的线性拟合曲线：由matlab 拟合结果得到，其相关系数为0.9998，拟合度很好，说明输出电压与应变计上的质量是线性关系，且实验结果比较准确。
系统灵敏度S =ΔUΔW =0.0535V /Kg (即直线斜率)，非线性误差= Δm yFS =0.0810.7×100%=0.75%五、思考题单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。
答：（1）负（受压）应变片；因为应变片受压，所以应该选则（2）负（受压）应变片。
实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的了解全桥测量电路的优点二、基本原理全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。
当应变片初始阻值R1=R2=R3=R4、其变化值1234R R R R ∆=∆=∆=∆时，其桥路输出电压3o U EK ε=。
传感器实验报告
传感器实验报告（二）自动化1204班蔡华轩 U2 吴昊 U5实验七：一、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=εA/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。
三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤：1、按图6-4 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。
2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图7-1。
图7-1 电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端V01 与数显表单元Vi 相接(插入主控箱Vi 孔)，Rw 调节到中间位置。
4、接入±15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔记下位移X 与输出电压值，填入表7-1。
5、根据表7-1 数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差δf。
图（7-1）五、思考题：试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构，并叙述一下在此设计中应考虑哪些因素？答：原理：通过湿度对介电常数的影响从而影响电容的大小通过电压表现出来，建立起电压变化与湿度的关系从而起到湿度传感器的作用；结构：与电容传感器的结构答大体相同不同之处在于电容面板的面积应适当增大使测量灵敏度更好；设计时应考虑的因素还应包括测量误差，温度对测量的影响等六：实验数据处理由excle处理后得图线可知：系统灵敏度S=非线性误差δf=353=%实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。
它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。
根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。
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机电工程学院
工程测试技术
实验报告
学生姓名： **
学 号：*************
专 业： 机械电子工程
2017-6-9
实验名称 电容式传感器的位移实验
实
验
目
的
及
要
求
了解电容式传感器结构及其特点，掌握测量方法。
实
验
设
备
及
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=ε2ｘ／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=
ε22∆X／ln(R／r)，式中ε2、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。
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
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 △（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。
电容式位移传感器实验原理方块图如图7—3
实
验
步
骤
及
内
容
1、按图7—4示意安装、接线。
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)。
实
验 总 结 实验数据如下表所示： 位移X（mm）7.27.78.28.79.29.710.29.79.28.78.27.77.2电压V（V）0.430.380.330.270.20.140.070.130.190.240.30.360.42 拟合的图像如下图所示:
总结：使用电容传感器测量位移，其位移和电压输出为线性关系。