实验五 电容式传感器的位移特性实验
电容式传感器的位移实验总结
电容式传感器的位移实验总结在科技飞速发展的今天，各种高科技产品的诞生让我们的生活变得更加便捷。
其中，电容式传感器作为现代电子技术的重要组成，其应用领域之广泛、技术之精湛，无不让人叹为观止。
今天，我们就来聊聊关于电容式传感器的那些事儿。
咱们得明白什么是电容式传感器。
简单来说，它就是一种通过测量电容变化来感知物理量的装置。
就像我们用尺子量物体的长度一样，电容式传感器通过测量电容的变化来感知物体的位置和形状。
这种敏感度高、响应速度快的特点，让电容式传感器在很多领域都大显身手。
说到位移，那可是电容式传感器的“拿手好戏”。
想象一下，当你用手指轻轻触碰屏幕时，屏幕上的图案就会随着手指的移动而改变，这就是电容式传感器在位移检测上的神奇应用。
它不仅能够精确地捕捉到微小的位移变化，还能将这种变化转化为电信号，方便我们进行后续的处理和分析。
那么，电容式传感器是如何实现位移检测的呢？其实，它的工作原理并不复杂。
当有物体接触到传感器表面时，传感器内部的电极会因为接触而产生微小的电荷分布变化。
根据法拉第电磁感应定律，这个变化会导致传感器内部的电容发生变化。
通过测量这个变化的电容值，我们就可以得到物体的位移信息了。
在实际应用中，电容式传感器的表现可以说是相当出色。
无论是工业自动化还是消费电子领域，它都能发挥出巨大的作用。
比如，在机器人手臂上安装一个电容式传感器，就能让它精准地完成复杂的动作；在智能手机上，它也能为我们提供更加流畅、稳定的体验。
这些例子都充分证明了电容式传感器在位移检测方面的卓越性能。
电容式传感器也不是万能的。
有时候，它可能会受到环境因素的影响，导致检测结果不够准确。
这就需要我们在使用的过程中多加注意，尽量选择质量可靠的产品，并遵循正确的使用方法。
我们还可以通过一些技巧来提高电容式传感器的性能，比如定期校准、优化电路设计等。
总的来说，电容式传感器在位移检测方面展现出了强大的实力。
它的高灵敏度、快速响应等特点，让我们能够轻松应对各种复杂场景下的位移问题。
06电容式传感器的位移特性实验
中南大学
仪器与自动检测实验报告
冶金科学与工程院系冶金专业 10级试验班级姓名陈晓晨学号02 同组者席昭等
实验日期 2013 年 4 月 08 日指导教师
实验名称：电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解电容传感器的结构及特点
二、实验仪器：
电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源
三、实验原理：
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理：
式中，S为极板面积，d为极板间距离，真空介电常数，介质相对介电常数，由此
可以看出当被测物理量使或发生变化时，电容量随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图11-1
四、实验内容与步骤
1．按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。
电容式传感器的位移实验
实验一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。
二、基本原理：利用电容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）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。
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，如下图所示：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=ε2πｘ／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=ε2π2∆X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)为常数，说明∆C与位移∆X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
三、需用器件与单元：主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验步骤：1、测微头的使用和安装参阅实验九。
按图1将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线(实验模板的输出ＶＯ１接主机箱电压表的Ｖｉｎ)。
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(显示选择)开关打到２ｖ档，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)5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10圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表1并作出Ｘ—Ｖ实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。
4、根据表1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。
实验完毕，关闭电源。
表1电容传感器位移与输出电压值。
位移实验
综合实验二位移实验（一）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。
二、基本原理利用电容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）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容式传感器。
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，如图2-9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=ε2πｘ／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=ε2π2∆X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)为常数，说明∆C与位移∆X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图2-9 圆筒式变面积差动结构电容式位移传感器三、需用器件与单元主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验步骤1．测微头的使用和安装参阅实验九。
按图2-10将电容传感器装于电容传感接主机箱电压表的Ｖｉ器实验模板上，并按图示意接线(实验模板的输出ＶＯ１ｎ)。
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针转３圈)。
3．将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到２ｖ挡，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)5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10圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表6，出Ｘ—Ｖ实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。
迟滞误差4．根据表6据计算电容传感器的系统灵敏度S、非线性误差δL 、δH。
5．实验完毕，关闭电源。
图2-10 电容传感器位移实验安装、接线图表6 电容传感器位移与输出电压值。
电容式传感器的位移特性实验报告资料
电容式传感器的位移特性实验报告资料一、实验内容：1、使用电容式传感器进行位移测量；2、采用锁相放大器，对位移测量进行信号检测，输出交流（AC）信号幅度和相位；3、掌握电容式传感器的阻抗和信号特性。
二、实验原理：1、电容式传感器：是将测量物体与一个接地电极分离，形成一个独立的电容二极管。
当测量物体发生位移时，该二极管电容Cc变化，即Cc=f（d），d是测量位移。
在保持传感器静态工作点C0不变的情况下，当Cc发生变化时，不受测物位移的干扰。
因此，电容式传感器可以实现高精度、无接触、无磨损位移测量。
2、锁相放大器：是一种适用于相位、频率、振幅等参数检测的精密电子测量仪器。
它可以对微弱的交流信号检测并输出信号幅度和相位。
三、实验器材：2、锁相放大器；3、信号调理器；4、多路开关；5、示波器。
四、实验过程：1、在传感器静态工作点时，接触传感器，调整微调电容，使电压稳定在一个固定值；2、调整开关，将传感器所测量的位移信号输入信号调理器内，进行信号调理，可以得到一个幅度为1V、频率为10kHz左右、带有微弱噪声的交流信号；3、将调理后的信号连接至锁相放大器的输入端，将锁相放大器的参考输入端连接至信号调理器输出端，调节锁相放大器的参考信号相位，使锁相放大器输出的交流信号幅度和参考信号相位一致；4、通过示波器连接至锁相放大器输出端，调节示波器测量参数，可以得到锁相放大器输出信号的AC幅度和相位值；5、通过多路开关改变传感器输入的位移值，重复以上步骤，得到传感器的位移特性曲线。
五、实验结果：在不同的测量点进行测量，在锁相放大器中得到具有不同幅度和相位的AC信号，通过信号处理以及调制，最终得到有关电容式传感器位移特性曲线，从中发现电容性传感器在不同测量点上具有不同的灵敏度，以及对于位移值的反应截然不同，这也是电容式传感器的特点，需要在实际应用中进行合理的选择和设计。
六、实验分析：通过实验，我们发现电容式传感器的测量值和测量量并非简单的线性关系，仅仅是对于位移变化而产生的电容变化，同时也受到感应现象、环境噪声的影响。
电容式传感器的位移特性实验
电容式传感器的位移特性实验电容式位移传感器实验是一种重要的引导应用考核技术，它要求用户在复杂的实验环境中结合理论知识和实际操作，使用电容式位移传感器来测量和检验其变化。
电容式位移传感器具有灵敏度高、稳定性好、良好的鲁棒性等优点，在工业控制领域中得到广泛应用。
实验 content一、研究内容1、电容式位移传感器介绍：介绍电容式位移传感器的原理工作原理、接线结构以及精度要求等。
2、等效电路仿真：使用电路仿真软件，仿真输入电压的变化对电容式位移传感器的影响。
3、实验素材：利用工业电容式位移传感器，测量传感器的位移特性，探查其非线性特性以及如何改善精度。
4、仪器设备：利用函数发生器、数字万用表、模拟量信号示波器等常用仪器设备，分别检测典型电容器位移传感器的精度。
5、结论性评价：评价：分析电容式位移传感器的特性，对它的优缺点进行总结，指出如何提高其精度，进一步建立相关的计算模型。
二、实验原理1、电容式位移传感器由两个电容构成，其原理是由于特定环境改变时，电容之间的介质改变，会在电容上形成电容电势差而发生变化，从而使电容式位移传感器的内部电路受到影响，最终通过电容变化改变其输出电压。
2、实验中利用函数发生器产生跨越输入电压，观察输出电压的变化，研究电容式位移传感器的补偿特性和灵敏度。
3、设置正反向斜率的步进电压，控制正反向补偿电压间隔，观察其非线性特性，探究其实际特性。
4、模拟量信号示波器给出电容式位移传感器的不同输出电压，观察实际精度，辅助分析结果。
三、实验结果1、经过仿真计算，确定电容式位移传感器补偿特性曲线，补偿范围较大，灵敏度及时响应速度较快，补偿特性良好。
2、观察实验电路中电容式位移传感器的输出电压，发现其在正反向补偿斜率步进电压下，相应的响应有非线性变化，合理，可靠。
3、通过模拟量信号示波器的输出，可分析典型电容式位移传感器的精度，表明电容式位移传感器的精度较高，可以满足应用要求。
四、结论1、电容式位移传感器具有灵敏度高、稳定性优、较好的精度等特点，在工业控制领域具有广泛应用。
电容式传感器测位移特性实验
电容式传感器测位移特性实验电容式传感器是一种常用的位移传感器，采用电容式将小的位移量变化，转变成模拟电压来发送，以实现检测和测量的目的，其具有快速响应、高精度和反应稳定的特点，被广泛应用到航空、航天、工业控制仪表等领域。
本实验将通过实验设备进行测量电容式传感器的位移特性，以更加深入的了解电容式传感器的工作特性。
实验装置是一台专业的电容测试仪，此外还配有一个线性位移模拟器、一个电容式传感器、一些实验电缆和接口线等辅助设备。
实验可分为三个步骤：绘制拟合曲线前的实验前准备工作、将电容式传感器的位移信号变为模拟电压的转换过程以及拟合测得的曲线。
1、实验前准备工作：首先，将位移模拟器接线连接到实验装置；随后，将电容式传感器接入实验装置，并将电容传感器安装在位移模拟器上；最后，调节电容测试仪偏置电路，矫正偏置电压，以设定有效位移信号范围。
2、将电容式传感器的位移信号变为模拟电压的转换过程：在实验中，将位移模拟器的调置电位从最小值（0mm）调至最大值（50mm），从而控制位移模拟器产生不同的位移量。
每次顺序调节时，实验装置将其位移量所产生的信号作为输入，经过转换后将电容式传感器的位移信号变成一定失真程度的模拟电压信号，从而可进行数据获取。
3、拟合测得的曲线：由于电容式传感器的反应特性的确定，在本实验中选择了一种标准的二次曲线进行拟合，以便更好地了解其工作原理。
在拟合曲线以及拟合曲线的过程中，采用的是软件的拟合算法，计算出最佳的参数并绘制拟合曲线。
实验结果表明，本次实验证明了电容式传感器位移特性测试实验使用电容式传感器和实验装置进行测量均具有可行性和准确性，为此类传感器的应用提供了足够的参考。
此外，本次实验也体现了软件算法拟合准确性以及实验数据在绘制曲线过程中的重要性等。
06电容式传感器的位移特性实验
中南大学
仪器与自动检测实验报告
冶金科学与工程院系冶金专业10级试验班级
姓名陈晓晨学号0505100102 同组者席昭等
实验日期2013 年4 月08 日指导教师
实验名称：电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解电容传感器的结构及特点
二、实验仪器：
电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源
三、实验原理：
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理：
式中，S为极板面积，d为极板间距离，真空介电常数，介质相对介电常数，由此
可以看出当被测物理量使或发生变化时，电容量随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图11-1
四、实验内容与步骤
1．按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。
电容式传感器的位移特性实验
电容式传感器的位移特性实验实验序号：实验十六系别：电子通信工程系班级：电****班组别：第五组成员：1**************** 连接线路120****** ****** 引导实验120/////4 ****** 记录数据12******8 **** 撰写报告2015年3月30日接主控箱电源输出接主控箱数显表V i地图4-1 电容传感器位移实验接线图一、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d A C /ε=和其他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 三个参数中，保持两个参数不变，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（d 变）和测量液位（A 变）等多种电容传感器。
三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、数显单元（主控台电压表）、直流稳压源。
四、实验步骤：1、按图3-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。
2、将电容传感器专用连线插入电容传感器实验模块专用接口，接线图如下。
3、将电容传感器实验模块的输出端V o1与数显表单元（主控台电压表）V i 相电容传感器安装示意图接（插入主控箱V孔），Rw调节到中间位置。
i4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.5mm 记下位移X与输出电压值（此时电压档位打在20v），填入表4-1。
表4-1 电容传感器位移与输出电压值5、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差 f。
位移（mm）电压（mv) 拟合值（mv）误差（mv）5 32 8.1333 23.86676 34 9.5333 24.46677 28 10.9333 17.06678 27 12.3333 14.66679 24 13.7333 10.266710 23 15.1333 7.866714 38 20.7333 17.266715 46 22.1333 23.866716 56 23.5333 32.466717 66 24.9333 41.066718 74 26.3333 47.666719 84 27.7333 56.266720 95 29.1333 65.866721 99 30.5333 68.4667灵敏度非线性误差1.4 0.691583。
电容式传感器的位移特性实验报告
斜率代替，因此得到
k = 35.24826255 mv/mm
5、迟滞误差 迟滞指正反行程中输出—输入特性曲线的不重合程度，用最大输出差值
∆max 与满量程输出������������������的百分比来表示，即
δH
=
±
1 2
·
∆������������������ ������������������
xi
12
12.5
13
13.5
14
14.5
15
15.5
16
16.5
17
17.5
yi -353.1 -335.5 -317.9 -300.2 -282.6 -265.0 -247.4 -229.7 -212.1 -194.5 -176.9 -159.2
xi
18
18.5
19
19.5
20
20.5
21
21.5
7 -510 -505
13 -339 -334
19 -106 -104
表 2 传感器线性输出区域
7.5 -497 -491 13.5 -322 -318 19.5 -85 -82
8 -483 -478
14 -304 -300
20 -64 -61
8.5 -470 -466 14.5 -286 -283 20.5 -43 -40
位移X/mm
输出电压U/mv 0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 13.5 15 16.5 18 19.5 21 22.5 24 25.5 27 28.5
200 100
0 -100 -200 -300 -400 -500 -600
正行程
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实验五 电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解电容式传感器的结构及其特点。
二、实验原理
平板电容器电容C ＝/s d ε，它的三个参数 ε、S 、d 中，保持两个参数不变，只改变其中一个参数，则可用于测量谷物干燥度（ε变）、测微小位移（变d ）和测量液位（变S ）等多种电容传感器。
变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响。
圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。
）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C 在忽略边缘效应时为：
()
212ln r r l
C πε=
（1）
式中 l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 12r r 、——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动l ∆时，电容变化量C ∆为：
()()()()
222
1110222ln ln ln r r r r r r l l l l l C C l πεπεπε-∆∆∆∆=
-== （2） 于是，可得其静态灵敏度为：
()()()()()222
111224/ln ln ln g r r r r r r l l l l C k l l πεπεπε
⎡⎤+∆-∆∆==-∆=⎢⎥∆⎢⎥⎣⎦
（3） 可见灵敏度g K 与12r r 有关，12r r 与越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l 与灵敏度无关，但l 不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。
本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，如图5-1所示，此结构可以消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。
其安装示意图如图5-2所示
图5-1
圆柱形差动式电容传感器示意图
图5-2圆柱形差动式电容传感器实验装置安装示意
图
电容式传感器调理模块的电路图如图5-3所示
图5-3
三、实验设备
THVZ-1型传感器实验箱、电容传感器、测微头、万用表、信号调理挂箱、电容式传
感器调理模块。
四、实验步骤
1．将“电容传感器调理模块电路图”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）；
2．将电容式传感器引线插头插入信号调理挂箱“电容式传感器调理模块”旁边的黑色九芯插孔中；
3．调节“电容式传感器调理模块”上的电位器Rw1，逆时针调节Rw1使旋到底。
用万用表测量此模块上输出两端的电压Uo ；
4．旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm 记下位移量X 与输出电压Uo ，填入表5-1。
表5-1 电容传感器位移与输出电压值
五、实验注意事项
1．传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。
2．做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。
六、思考题
简述什么是电容式传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。
50p u F
七、实验报告要求
1．整理实验数据，根据所得的实验数据画出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法画。
出拟合直线，计算该传感器的非线性误差
f
2．根据实验结果，分析引起这些非线性误差的原因，并说明怎样提高传感器的线性度。