电容式传感器特性实验

一．

实验类型：验证型。

二． 学时分配：2学时。 三． 实验目的：

1．电容传感器原理及典型应用。 2．掌握用示波器测量振荡频率的方法

四．实验原理：

电容式传感器的基本原理可以从图中来说明。当忽略边缘效应时，其电容C为：

C=ε S/δ=εrε0 S/δ

其中：

S-极板相对覆盖面积； δ-极板间距离； εr-相对介电常数； ε0-真空介电常数；

ε-电容极板间介质的介电常数。

实际应用时，常常仅改变δ、S、ε之中的一个参数使C变化。电容式传感器可以分为三种基本类型：变间距、变面积、变介电常数型。

电容/电压变换器是双T型标准变换电路，功能为将输入两个电容器电容的差值转换为电压信号输出。图中e为一对称方波的高频电压源；C1、C2为差动式传感器的电容；RL为负载电阻；V1，V2为两个二极管；R1，R2为固定电阻。

电路工作原理如下：当电源e为正半周时，V1导通，V2截止，电容C1很快被充电至电压E，电源E经R1以电流I1向负载RL供电。与此同时，电容C2经R2和RL放电，放电电流为I2（t）。流经RL的电流IL（t）的电流是I1（t）和I2（t）之和。当电源e为负半周时，V1截止，V2导通，

此时C2很快被充电至电压E，而流经RL的电流IL′（t）为由E供给的电流I2′和C1的放电电流I1′（t）之和。如果V1与V2的特性相同，且C1=C2，R1=R2=R则流经RL的电流IL（t）和IL′（t）的平均值大小相等，极性相反。因此，在一个周期内流经RL的平均电流为零，RL无输出信号。当C1、C2变化时，在RL产生平均电流不为零，因而有信号输出。

利用电路分析求得在电源E负半周内电路的输出为：

IL′（t）=[E/（R+RL）]（1-e-t/τ1） τ1=[R（2RL+R）C1]/（R+RL）

同理，在电源E负半周内电路的输出为：

IL（t）=[E/（R+RL）]（1-e-t/τ2） τ2=[R（2RL+R）C2]/（R+RL）

输出电流的平均值IL为：IL=（1/T）∫0[IL′- IL ]dt

T

IL=E[（R+2RL）/（R+RL）2]Rf（C1-C2-C1e-k1+C2e-k2）

式中：f—电源e的频率；

k1—系数，k1=（R+RL）/[2RfC1（R+2RL）]；

k2—系数，k2=（R+RL）/[2RfC2（R+2RL）]。

输出电压的平均值UL为： UL=ILRL

适当选择电路中元件的参数以及电源频率f，使IL中指数项误差小于1%，于是得

UL≈E[（R+2RL）/（R+RL）2]RfRL（C1-C2）

五．实验仪器：

传感器系统实验台（1台）、计算机（1台）、导线、日立V-252示波器

六．实验步骤：

1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察两个可变电容的结构。 2．将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正、负输入与地短接。F/V表设为2V档，将差动放大器的输出端与F/V表的输入插孔Vi相连；开启主、负电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮，使F/V表显示为零，关闭主、副电源。 3． 图2。1接线

4． 将电容变换器增益调整到一定位置，使输出电压最大变化量小于20V，

F/V表设为20V档，将测微头安装到可动极板的自由端（与自由端磁铁吸合），调节测微头使之处于未受测微头作用力位置，即F/V表显示最小，设F/V表为2V档，再旋动测微头，使F/V表显示为零，这时测微头刻度为零位的相应刻度。

5．将计算机与传感器系统实验台连线，计算机开机并运行传感器数据采集

软件系统。 6．根据测量数值旋转测微头以零点为基准向上然后向下，使梁的自由端产生位移记下F/V表显示的值。建议每旋动测微头一周ΔX=0.5mm记下一个数值填入下表,同时,计算机每个数值采集一次。 表二：数值测量表

位移-2.50 -2.00 -1.50 -1.00 0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 （mm） 电压（V）

7．手工计算系统灵敏度 S=ΔV/ΔX，作出V-X关系曲线，写出计算机计算结果。

8．卸下测微头，断开电压表，接通激振器，用示波器观察输出正弦波形。调节激振器频率旋钮居中，记录下示波器输出波形和示波器设定值，计算此时激振器频率值。

七．注意事项

1． 在用激振器调节激振频率时，不要在共振点停留，避免损坏仪器。 2． 使用示波器时，建议输出电压小于4V。

八．实验分析和要求

1． 调节电容增益，通过计算机观察测量结果，分析输出情况。

2． 在第8步中去掉低通滤波器，观察示波器输出波形与接上低通滤波器

时的差别，分析原因。