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 ＝εs /d ，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：
C =
2πεl
（1）
ln r 21式中 l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r 2、r 1——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：
∆C =
2πε(l -∆l )2πε∆l 2πεl ∆l -==C （2） 0r 2r 2r 2
l ln 1ln 1ln 1于是，可得其静态灵敏度为：
∆C ⎡2πε(l +∆l )2πε(l -∆l )⎤4πε
k g ==⎢-/∆l = （3） ⎥r 2r 2r 2
∆l ln ln ln 11⎥1⎢⎣⎦
可见灵敏度K g 与r 21有关，r 2与r 1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
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50p 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
九芯插孔中；
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。