光电学院《传感器技术》实验指导说明书(2017版)

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1、传感器技术实验指导书实验室名称：测控与传感器实验室（2）实验室房号：A区主教楼1109重庆大学光电工程学院2017.3实验一电容式传感器原理与使用一、实验目的：了解差动式同轴变面积电容式传感器的原理、结构、特点及应用。二、基本原理：1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C＝εA／d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，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形

2、和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。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，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图所示：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=ε2pｘ／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=ε2p2∆X／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)为常数，说明∆C与∆X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。电容传感器结构图2、测量电路(电容变换器)：测量电路画在实

3、验模板的面板上。其电路的核心部分是下图的二极管环路充放电电路。二极管环形充放电电路在图中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和CX1、CX2（实验差动电容位移传感器）组成。当高频激励电压(ｆ>100kHz)输入到ａ点，由低电平E1跃到高电平E2时，电容CX1和CX2两端电压均由E1充到E2。充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对CX1充电到O点(地)；另一路由由ａ点经C4到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。此时，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内，由ａ到c点的电荷量为：Q1＝CX2(E2-E1)（1）当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时

4、，电容CX1和CX2均放电。CX1经b点、D4、c点、C4、ａ点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c点到ａ点的电荷量为：Q2＝CX1(E2-E1)（2）当然，（1）式和（2）式是在C4电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路由图中实线、虚线箭头所示。在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由c点到ａ点的电荷量为：Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX△E（3）式中：CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。设激励电压频率f＝1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为：i＝

5、fＱ＝f△CX△E（4）式中：△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。由（4）式可看出：f、△E一定时，输出平均电流i与△CX成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝IRw。由传感器原理已知∆C与∆X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知∆X位移。2、电容式位移传感器实验原理方块图如下图电容式位移传感器实验方块图三、需用器件与单元：主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。四、实验步骤：附：测微头的组成与使用测微头组成和读数如图测位头组成与读数示意图测微头组成：测微头由不可

6、动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1mm／格)，另一排是半毫米刻线(0.5mm／格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(0.01mm／格)。用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移0.01mm，这也叫测微头的分度值。测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如上图甲读数为3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒边缘前端与主尺上

7、某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如上图乙已过零则读2.514mm；如上图丙未过零，则不应读为2mm，读数应为1.980mm。测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10mm处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧