实验九 电容式传感器的位移实验

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一、实验目的

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理

利用电容C＝εA／d和其它结构的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如下图所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。

设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πx／ln(R／r)。 图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C=C1－C2=ε2π2∆X／ln(R／r)，式中ε2π、ln(R／r)为常数，说明∆C与位移∆X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

三、实验器材

主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

四、实验步骤

1、测微头的使用和安装参阅实验九。按图1将电容传感器装于电容传感器实验模板上并按图示意接线(实验模板的输出Ｖo1接主机箱电压表的Ｖin。 图1 电容传感器位移实验安装、接线图

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传3圈)。

3、将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到2V档，合上主机箱电源开关，旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0V ，再转动测微头(同一个方向)5圈，记录此时的测微头读数和电压表显示值为实验起点值。以后，反方向每转动测微头1圈即△X=0.5mm位移读取电压表读数(这样转10圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表1并作出X-V实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。

4、 根据表1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。 表1 电容传感器位移与输出电压值 X(mm) 15.482 14.982 14.482 13.982 13.482 12.982 12.482 69 11.982 140 11.482 219 10.982 301 10.482 383 V(mv) -480 -370 -276 -192 -120 1 五、实验结果

1、X-V实验曲线如下：

2、计算系统灵敏度：

ΔV=（-370-（-480））+（-276-（-192））+•••+（383-301）/10=86.3mV ΔX=0.5mm

S=ΔV/ΔX=172.6mV/mm （2）计算非线性误差：

Δm =（-480+(-370)+(-276)+(-192)+(-120)+1+69+140+219+301+383）/11=-29.54mV yFS=-480mV

δf =Δm / yFS×100%=6.2%

六、思考题

设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

答：由于是测谷物的湿度的，当此传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传感器检测呼吸作用的水分程度，从而判断出谷物的湿度，当电容的S与D为恒定值时C=f(ε),稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，传感器为两个板，谷物从传感器之间穿过。

在设计过程中应考虑：感应器是否于谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传感器之间穿过，而且要注意直板传感器的边缘效应。