实验五-电容式传感器的位移特性实验

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。

X(mm)

TRIG 2

Q

3

R 4

CVo lt

5

THR

6

DIS

7

V C C

8

G N D

1

U2

NE555

C1

50p F

D2IN4148

R2200D1IN4148

RW110K

R1330

C30.1u F

L110mH

C4

0.22uF

L210mH

C51uF

R43.3K

R647K R53.3K

(传感器)R72K

C90.1u F

C60.01uF C2

0.01uF IN4148*4+15V

-15V D3

D4

D5

D6

OUT

Vin

1

G N D 2

+12V 3

U1

MC7812

+15V

1

2

C70.1u F

C80.1u F

2

37

4

6

15

U3

741

(传感器)

0.1u F

R310K

Cx1

Cx2

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。

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。