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文檔簡介

1、實驗一 電容式傳感器的位移實驗指導教師:楊倩E-mail:實驗目的 了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。實驗原理 電容式傳感器是利用電容器的原理將被測非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化,實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化。 應用:不但廣泛的應用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量而且可以用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。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)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應,其電容量為: 式中:r 相對介電常數(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、當被測參數(shù)變化使得S、 d或發(fā)生變化時,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 當傳感器的r和S為常數(shù),初始極距為d0時,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,則展成級數(shù): 此時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,才有近似的線性關(guān)系。 靈敏度: 可見,要提高靈敏度,應減小d0。但d0過小,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,高次項省略,若保留二次項,則有: 電容式傳感器的相對非線性誤差: 可見,要提高靈敏度,須減小起始間隙d0,但此時相對非線性誤差增大。所以為使二者兼得,常采用差動式結(jié)構(gòu),即使其中一個電容器的電容C1隨位移d增加,而另一個電容器的電容C2則減小。00dCdCSn)1 (000ddddCC0/100%d d差動式結(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,常采用差動式電容傳感器上下兩極板是固定極板,中間極板是活動極板未開始測量時將活動極板調(diào)整在中間位置,兩邊電容相等。測量時,中間極板向上或下平移,就會引起電容量的上增下減或反之。當動極板向上位移時: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,由低電平E1躍到高電 平E2時,電容CX1和CX2兩端電壓均由E1充到E2。 線路一:點經(jīng)D3到b點,再對CX1充電到O點(地) 線路二:點經(jīng)C4到c點,再經(jīng)D5到d點對CX2充電到O點。此時,D4和 D6由于反偏置而截止。在t1充電時間內(nèi),由到c點的電荷量

5、為: Q1CX2(E2-E1) (1)放電:當高頻激勵電壓由高電平E2返回到低電平E1時,電容CX1和CX2均 放電。 線路一:CX1經(jīng)b點、D4、c點、C4、點、L1放電到O點 線路二:CX2經(jīng)d點、D6、L1放電到O點。在t2放電時間內(nèi)由c點到點的電荷量為: Q2CX1(E2-E1) (2)式(1)(2)是C4電容值遠遠大于傳感器的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線、虛線箭頭所示。在一個充放電周期內(nèi)(t1t2),由c點到點的電荷量為: Q2-Q1(CX1-CX2)(E2-E1)CX E 在一個充放電周期內(nèi)(t1t2),由c點到點的電荷量為: Q2-Q1(

6、CX1-CX2)(E2-E1)CX E 式中:CX1與CX2的變化趨勢是相反的(傳感器的結(jié)構(gòu)決定的,是差動式)。 設(shè)激勵電壓頻率f1/T,則流過ac支路輸出的平均電流i為:iffCX E 式中:E激勵電壓幅值;CX傳感器的電容變化量。可看出:f、E一定時,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,所以通過測量電路的輸出電壓Vo1就可知X位移。需用器件與單元 主機箱15V直流穩(wěn)壓電源 電壓表 電容傳感器 電容傳感器實驗模板 測微頭實驗步驟: 1、按圖示安裝、接線。電容傳感器位移實驗安裝、接線示意圖電容傳感器位移實驗安裝、接線示意圖 2、將實驗模板上的Rw調(diào)節(jié)到中間位置(方法:逆時針轉(zhuǎn)到底再順時傳圈)。 3、將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)打到2V檔,檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān),旋轉(zhuǎn)測微頭改變電容傳感器的動極板位置使電壓表顯示0V ,再轉(zhuǎn)動測微頭(同一個方向)6圈,記錄此時的測微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為實驗起點值。以后,反方向每轉(zhuǎn)動測微頭1圈即X=0.5mm位移讀取電壓表讀數(shù)(這樣轉(zhuǎn)13圈讀取相應的電壓表讀數(shù)),將數(shù)據(jù)填

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