电容传感器实验模块.doc

电容传感器实验模块基本教学实验实验目的1 掌握电容式传感器的基本结构和工作原理。2 通过实验验证电容式传感器的基本特性。3 掌握电容式传感器的静态标定方法，通过实验进行电容式传感器的静态标定。实验原理以如图1所示平行板电容器为例说明电容式传感器的基本工作原理。图1 平行板电容器平行板电容器的电容量为 （1）极板面积(m2)；极板间距离(m)；真空介电常数，；介质的相对介电常数。由式（1）可以看出，当被测参数使S、d或之一发生变化时，电容量C随之变化，于是可将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。电容式传感器可分为三种类型：改变极板间距离的变间隙式、改变极板面积的变面积式和改变介质介电常数的变介电常数式。变间隙式电容传感器的特点是灵敏度高，一般用来测量微小的线位移，但是其传感特性曲线为非线性特性。变面积电容传感器的传感特性曲线为线性特性，但其灵敏度较低，一般用于测量较大线位移或角位移。类似电涡流传感器在电感式传感器中富有特色，变介电常数电容传感器在电容传感器中最有特色，传感特性曲线为线性特性，常用于与物性参数有关的参数测量，如物位测量、液位测量、湿度测量等。电容式传感器有多种结构形式，本实验仪采用的是差动变面积结构。传感器由两组定极板和一组动极板组成。当安装在振动台上的动极板发生上、下位移时，两个电容的有效面积发生变化，成为差动电容。设电容式传感器的面积变化量为，则电容量变为 （2） （3）灵敏度为 （4）可见，改变面积的电容传感器在理论上为线性传感特性。在本实验仪中，被测位移量与电容有效面积的变化量为比例关系。对差动结构，灵敏度为 （5）采用差动结构，将灵敏度提高一倍，同时提高了传感器对温度等共模干扰的抑制能力。将两个电容接入交流电桥，即可将位移量转换为桥路的电压信号输出。实验所需部件电容传感器、电容变换器、差动放大器、低频振荡器、测微头、低通滤波器。实验步骤电容传感器的传感特性测试与静态标定：1 按图2接线。电容变换器、差动放大器的增益调节适中。图2 电容传感器传感特性测试接线图2 装上测微头，带动动极板位移，将动极板调至两个定极板的中间对称位置。此时差动放大器输出为零。3 以此为起点，旋转测微头，是动极板先相上位移，直至与上面的定极板完全重合；然后向下位移，直至与下面的定极板完全重合。如此反复作数个循环。每位移0.5mm，记录一次位移量、输出电压数据。被测位移mm输出电压V4 根据记录结果，以传感器输出电压为纵轴、被测位移为横轴，画出传感器特性图，并指出线性测量范围。利用电容传感器进行位移测量：5 重新作3，计录实际位移量，同时按标定曲线计算位移量，进一步计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。被测位移mm输出电压V计算位移mm注意：电容传感器的动极板、定极板之间的片间距离必须相等，必要时可稍作调整。位移时不可有擦片现象，否则会造成输出信号的突变，导致粗大误差；如果差动放大器输出端的波形有谐波，需将电容变换器的增益减小。设计性实验基于电容传感器的振动测量系统设计实验要求设计以电容传感器作为传感器的振动测量系统，使用该系统测量被测对象的固有振动频率，对该系统被测振幅与输出电信号之间的关系进行标定，利用标定后的测量系统进行振幅测量并计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。可用资源原实验仪上的所有资源，如电容传感器、电容变换器、低频振荡器、差动放大器、低通滤波器、测微头、电压表等；振幅及频率测量装置；示波器。建议实验步骤1 移开圆盘上测微头使圆盘处于自由可振动状态。2 低频振荡器接入“激振I”，使圆盘振动。注意保持适当的振幅。3 以电容传感器、电容变换器、低频振荡器、差动放大器、低通滤波器、测微头、电压表等为基本部件，设计基于电容传感器的振动测量系统。画出电路图，并按图组成系统。经指导教师认可后，方可通电。4 调整振动测量系统的零点。电压/频率表调至2KHZ档，接低频输出端，适当调节低频振荡器振幅，使差动放大器输出波形较大但不失真。用示波器、电压表观察输出信号。5 维持低频振荡器输出幅值不变，改变低频振荡器的频率，从5HZ逐渐增加到30HZ，记录测量系统输出的电信号幅值，利用振幅及频率测量装置测量振幅、振动频率。最高电信号幅值所对应的振动频率就是被测对象的固有频率。激振频率Hz输出电压V振幅mm振动频率Hz6 在低于固有频率的范围内任选一个激振频率，并维持不变。先是从低到高、而后从高到低调整激振幅值，记录输出电信号、并用振幅及频率测量装置测量振幅。如此反复测量几个循环。激振幅值V输出电压V振幅mm振动频率Hz7 更改激振频率，重复6的实验内容。8 以6、7的测量数据为基础，作出所设计的振动测量系统的标定曲线。9 再更换激振频率、激振幅值，记录测量系统输出的电信号，并依据标定曲线计算被测振幅；同时利用振幅频率测量装置实际测量振幅。激振幅值V输出电压V振幅计算值振幅测量值振动频率Hz10 依据9的数据，计算绝对误差、相对误差、引用误差、精度等级。11 将电容传感器测量结果与自感传感器、差动变压器、电涡流传感器的测量结果进行综合比较。