实验十六 电容式传感器的位移实验

实验九电容式传感器的位移实验学号：姓名：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(m15.414.914.413.913.412.912.411.911.410.910.4m)82 82 82 82 82 82 82 82 82 82 82V(mv)-480 -370 -276 -192 -120 1 69 140 219 301 383五、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=86.3mVΔX=0.5mmS=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=-29.54mVyFS=-480mVδf =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。

位移测量及静态标定实验报告一、实验目的掌握常用的位移传感器的测量原理、特点及使用，并学会进行静态标定。

二、实验仪器CSY10B型传感器系统实验仪。

三、实验内容（一）电涡流传感器测位移实验1、测量原理：电涡流效应：扁平线圈中通以交变电流，与其平行的金属片中产生电涡流。

电涡流的大小影响线圈的阻抗Z。

Z = f（ρ，μ，ω，x）。

不同的金属材料有不同的ρ、μ，线圈接入相应的电路中，用铁、铝两种不同的金属材料片分别标定出测量电路的输出电压U与距离x的关系曲线。

2、测试系统组建电涡流线圈、电涡流变换器（包括振荡器、测量电路及低通滤波输出电路）、测微头、电压表、金属片（铁片和铝片）。

3、试验步骤①分别安装传感器、测微头；②连接电路；③依次用铁片、铝片进行位移测量，依次记录U(V) 铁片U(V) 铝片X/mmU(V) 铁片U(V) 铝片X/mmU(V) 铁片U(V) 铝片4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，确定量程范围（在实验曲线上截取线性较好的区域作为传感器的位移量程），估算非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。

（二）光纤传感器测位移实验1、测量原理反射式光纤传感器属于结构型, 工作原理如图。

当发光二极管发射红外光线经光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电元件。

经光电元件转换为电信号。

经相应的测量电路测出照射至光电元件的光强的变化。

2、组建测试系统光纤、光电元件、发光二级管、光电变换测量电路、数字电压表、反射体(片)、测微头。

3、实验步骤①观察光纤结构；②安装光纤探头、反射片；③连接电路；④旋动测微仪测位移，记录位移及测试系统的输出电压。

4、数据分析与讨论画出输入输出关系曲线，实验曲线上截取线性较好的区域作为传感器的位移量程，估算非线性误差，在测量范围内计算灵敏度，进行误差分析。

（三）电容式传感器测位移实验1、测量原理电容式传感器是将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。

本实验采用的电容式传感器为二组固定极片与一组动极片组成二个差动变化的变面积型平行极板电容式传感器。

接主控箱电源输出
接主
控箱数显表
V i
地
图4-1 电容传感器位移实验接线图
实验十六 电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：利用平板电容d A C /ε=和其他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 三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测微小位移（d 变）和测量液位（A 变）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、数显单元（主控台电压表）、直流稳压源。

四、实验步骤：
1、按图3-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。

2、将电容传感器专用连线插入电容传感器实验模块专用接口，接线图如下。

电容传感器安装示意图
3、将电容传感器实验模块的输出端V
o1与数显表单元（主控台电压表）V
i
相
接（插入主控箱V
i
孔），Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.5mm 记下位移X与输出电压值（此时电压档位打在20v），填入表4-1。

表4-1 电容传感器位移与输出电压值
5、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

解：s=4.125 δ=16.6%
实验总结：根据实验结果显示非线性误差较大，可能由于边缘效应的影响
自己需要熟练掌握数据处理的能力，从此次实验显示自己能力较弱。

电容式传感器的位移特性实验电容式位移传感器实验是一种重要的引导应用考核技术，它要求用户在复杂的实验环境中结合理论知识和实际操作，使用电容式位移传感器来测量和检验其变化。

电容式位移传感器具有灵敏度高、稳定性好、良好的鲁棒性等优点，在工业控制领域中得到广泛应用。

实验 content一、研究内容1、电容式位移传感器介绍：介绍电容式位移传感器的原理工作原理、接线结构以及精度要求等。

2、等效电路仿真：使用电路仿真软件，仿真输入电压的变化对电容式位移传感器的影响。

3、实验素材：利用工业电容式位移传感器，测量传感器的位移特性，探查其非线性特性以及如何改善精度。

4、仪器设备：利用函数发生器、数字万用表、模拟量信号示波器等常用仪器设备，分别检测典型电容器位移传感器的精度。

5、结论性评价：评价：分析电容式位移传感器的特性，对它的优缺点进行总结，指出如何提高其精度，进一步建立相关的计算模型。

二、实验原理1、电容式位移传感器由两个电容构成，其原理是由于特定环境改变时，电容之间的介质改变，会在电容上形成电容电势差而发生变化，从而使电容式位移传感器的内部电路受到影响，最终通过电容变化改变其输出电压。

2、实验中利用函数发生器产生跨越输入电压，观察输出电压的变化，研究电容式位移传感器的补偿特性和灵敏度。

3、设置正反向斜率的步进电压，控制正反向补偿电压间隔，观察其非线性特性，探究其实际特性。

4、模拟量信号示波器给出电容式位移传感器的不同输出电压，观察实际精度，辅助分析结果。

三、实验结果1、经过仿真计算，确定电容式位移传感器补偿特性曲线，补偿范围较大，灵敏度及时响应速度较快，补偿特性良好。

2、观察实验电路中电容式位移传感器的输出电压，发现其在正反向补偿斜率步进电压下，相应的响应有非线性变化，合理，可靠。

3、通过模拟量信号示波器的输出，可分析典型电容式位移传感器的精度，表明电容式位移传感器的精度较高，可以满足应用要求。

四、结论1、电容式位移传感器具有灵敏度高、稳定性优、较好的精度等特点，在工业控制领域具有广泛应用。

电容式传感器测位移特性实验电容式传感器是一种常用的位移传感器，采用电容式将小的位移量变化，转变成模拟电压来发送，以实现检测和测量的目的，其具有快速响应、高精度和反应稳定的特点，被广泛应用到航空、航天、工业控制仪表等领域。

本实验将通过实验设备进行测量电容式传感器的位移特性，以更加深入的了解电容式传感器的工作特性。

实验装置是一台专业的电容测试仪，此外还配有一个线性位移模拟器、一个电容式传感器、一些实验电缆和接口线等辅助设备。

实验可分为三个步骤：绘制拟合曲线前的实验前准备工作、将电容式传感器的位移信号变为模拟电压的转换过程以及拟合测得的曲线。

1、实验前准备工作：首先，将位移模拟器接线连接到实验装置；随后，将电容式传感器接入实验装置，并将电容传感器安装在位移模拟器上；最后，调节电容测试仪偏置电路，矫正偏置电压，以设定有效位移信号范围。

2、将电容式传感器的位移信号变为模拟电压的转换过程：在实验中，将位移模拟器的调置电位从最小值（0mm）调至最大值（50mm），从而控制位移模拟器产生不同的位移量。

每次顺序调节时，实验装置将其位移量所产生的信号作为输入，经过转换后将电容式传感器的位移信号变成一定失真程度的模拟电压信号，从而可进行数据获取。

3、拟合测得的曲线：由于电容式传感器的反应特性的确定，在本实验中选择了一种标准的二次曲线进行拟合，以便更好地了解其工作原理。

在拟合曲线以及拟合曲线的过程中，采用的是软件的拟合算法，计算出最佳的参数并绘制拟合曲线。

实验结果表明，本次实验证明了电容式传感器位移特性测试实验使用电容式传感器和实验装置进行测量均具有可行性和准确性，为此类传感器的应用提供了足够的参考。

此外，本次实验也体现了软件算法拟合准确性以及实验数据在绘制曲线过程中的重要性等。

摘要传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

电容式传感器就是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。

本文设计介绍了一种电容式传感器测量位移的设计结构及其工作原理。

关键字：电容式传感器，平行电极，位移目录摘要。

1 引言。

3 传感器转换电路仿真调试及原理分析。

3 1．同相比例放大电路2.二阶低通滤波器电路电容式传感器测量电路设计及分析。

5 误差分析。

8 学习心得。

8参考文献资料。

9引言传感器是科学仪器、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术，是先进国家优先发展的重要基础性技术。

传感器与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱。

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。

70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。

这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。

电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。

当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。

但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。

传感器转换电路仿真调试及原理分析1．同相比例放大电路同相输入放大电路如图1所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。

根据虚短、虚断的概念有vN=vP=vS，i1=if于是求得所以该电路实现同相比例运算。

摘要差动式电容传感器灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效的改善高温等环境影响造成的误差，因而在许多测量场合中被广泛应用。

把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

本设计采用变压器电桥测试电路将电容变化转化为电压变化，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。

因此，本设计中采用了运算放大器，差分脉冲调宽型电路以及低通滤波器等电路设计，并对这些单元电路进行了原理分析，通过参数的确定，实现位移向电压的转变。

在本次设计中还涉及了寄生电容的消除，以及测量过程中的误差分析，从而保证了测量的精度和准确度。

一、设计分析本文主要是设计差动变面积式电容位移传感器，以及测量电路的设计。

利用电容式传感器非接触测量的特性，测量微小位移的变化，由于位移的变化引起电容的变化，将电容的变化量转换成电压的变化，由电压的变化测出位移的变化量。

本设计主要目的是如何利用设计的差动变面积式位移传感器与转换原件，尽量消除外界干扰引起的误差，高精度测出位移的变化量。

二、设计思路电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输出。

其总体原理框图如图：三、设计电路3.1差动变面积电容传感器由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容为C=εS d式中：ε—两个极板间介质的介电常数；S—两个极板相对有效面积；d—两个极板间的距离。

由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数ε；其二为改变形成电容的有效面积S；其三为改变两个极板间的距离d。

从而得到电参数的输出为电容值的增量∆C，这就组成了电容式传感器。

极距与电容成反比，不适用与测位移，介电常数与电容呈线性相关，但介电常数不能用于测位移，面积与电容成线性相关，利用改变位移来改变面积，从而改变电容。