4电容式传感器

实验四 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的了解电容传感器的结构及特点，电容传感器的位移测量原理。

二、实验仪器电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套 三、实验原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它实质上是具有一个可变参数的电容器。

利用平板电容器原理： dSdSC r ⋅⋅==εεε0 （4-1）式中，S 为极板面积，d 为极板间距离，ε0真空介电常数，εr 介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S 、d 或εr 发生变化时，电容量C 随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。

所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。

这里采用变面积式，如图4-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。

图4-1 差动电容传感器原理图四、实验内容与步骤1．按图4-2将电容传感器安装在传感器固定架上，将传感器引线插入电容传感器实验模块插座中。

图4-2 电容传感器安装示意图2．将电容传感器模块的输出U O 接到数显直流电压表。

3．将实验台上±15V 电源接到传感器模块上。

检查接线无误后，开启实验台电源，用电压表2V档测量“电容传感器模块”的输出，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（2V档）。

（Rw确定后不要改动）4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表4-1。

五、实验报告1．根据表4-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第4章 电容式传感器4-1 电容式传感器可分为哪几类？各自的主要用途是什么？答：（1）变极距型电容传感器：在微位移检测中应用最广。

（2）变面积型电容传感器：适合测量较大的直线位移和角位移。

（3）变介质型电容传感器：可用于非导电散材物料的物位测量。

4-2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差？答：原因：灵敏度S 与初始极距0δ的平方成反比，用减少0δ的办法来提高灵敏度，但0δ的减小会导致非线性误差增大。

采用差动式，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。

由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。

4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要？设计和应用中如何解决这些问题？答：电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小，属于小功率、高阻抗器，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性，甚至会淹没没有用信号而不能使用。

解决：驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术。

4-4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种？各自的目的及特点是什么？使用这些测量电路时应注意哪些问题？4-5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动？答：因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化，会使等效电容等参数会发生改变，最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变，从而改变了传感器的输入输出特性。

4-6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。

4-7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。

4-8如图P4-2所示，在压力比指示系统中采用差动式变极距电容传感器，已知原始极距1δ＝2δ＝0.25mm ，极板直径D ＝38.2mm ，采用电桥电路作为其转换电路，电容传感器的两个电容分别接R ＝5.1k Ω的电阻后作为电桥的两个桥臂，并接有效值为U1＝60V 的电源电压，其频率为f ＝400Hz ，电桥的另两桥臂为相同的固定电容C ＝0.001μF 。

电子信息工程学系实验报告课程名称：传感器与检测技术成绩：实验项目名称：实验（四）差动变面积式电容传感器实验时间：2011.10.07指导教师（签名）：班级：测控91 姓名：陈云学号：910707153实验目的:了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。

实验环境:示波器和CSY-910型传感器实验仪：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表实验内容及过程:1、实验原理电容式传感器有多种形式，本仪器中差动变面积式。

传感器由两组定片和一组动片组成。

当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。

如将上层定片与动片形成的电容定为Cxl，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cxl和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。

2、旋钮初始位置差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表置于2V档。

3、实验步骤(1)根据图接线。

(2)将F/V表打到20V，调节测微头，使输出为零。

(3)转动测微头，每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上(或下)静片覆盖面积最大为止。

X(mm)V(mV)(4)退回测微头至初始位置。

并开始以相反方向旋动。

同上法，记下X(mm)及V(mv)值。

X(mm)V(mV)(5)计算系统灵敏度S=△V/△X，并作出Ⅴ-X曲线。

实验结果及分析：每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数：X(mm) 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 12.0 12.1 12.2 12.3V(mV) 0.02 0.24 0.46 0.69 0.93 1.14 1.43 1.66 1.94 2.13 2.36退回测微头至初始位置。

并开始以相反方向旋动。

同上法，记下X(mm)及V(mv)值：X(mm) 11.3 11.2 11.1 11.0 10.9 10.8 10.7 10.6 10.5 10.4 10.3V(mV) 0.02 -0.21 -0.45 -0.67 -0.91 -1.13 -1.40 -1.62 -1.91 -2.10 -2.18计算系统灵敏度S=△V/△X，并作出Ⅴ-X曲线。