实验3 电容式传感器的位移特性

《传感技术综合实验单元》实验指导书一、电子测量与检测实验须知传感技术综合实验的目的使学生在掌握各类传感器的理论及其检测技术、信号调理电路和光电检测技术基础上，能合理选择和利用传感器测量各种工程上常见的物理量。

这是本专业本科学生必须掌握的基本技能。

要求学生通过实际操作，培养独立思考、独立分析和独立实验的能力。

为使实验正确、顺利地进行，并保证实验设备、仪器仪表和人身的安全，在做检测与转换技术实验时，需知以下内容。

1．实验预习实验前，学生必须进行认真预习，掌握每次实验的目的、内容、线路、实验设备和仪器仪表、测量和记录项目等，做到心中有数，减少实验盲目性，提高实验效率。

2．电源（1）实验桌上通常设有单相（或三相）交流电源开关和直流电源开关，由实验室统一供电，实验前应弄清各输出端点间的电压数值。

（2）实验桌（或仪器）上配有直流稳压电源，在接入线路之前应调节好输出电压数值，使之符合实验线路要求。

特别是在实验线路中，严禁将超过规定电压数值的电源接入线路运行。

（3）在进行实验线路的接线、改线或拆线之前，必须断开电源开关，严禁带电操作，避免在接线或拆线过程中，造成电源设备或部分实验线路短路而损坏设备或实验线路元器件。

3．实验线路（1）认真熟悉实验线路原理图，能识图并能按图接好实验线路。

（2）实验线路接线要准确、可靠和有条理，接线柱要拧紧，插头与线路中的插孔的结合要插准插紧，以免接触不良引起部分线路断开。

（3）线路中不要接活动裸接头，线头过长的铜丝应剪去，以免因操作不慎或偶然原因而触电，或使线路造成意想不到的后果。

（4）线路接好后，应先由同组同学相互检查，然后请实验指导教师检查同意后，才能接通电源开关，进行实验。

4．仪器仪表（1）认真掌握每次实验所用仪器仪表的使用方法、放置方式（水平或垂直），并要清楚仪表的型号规格和精度等级等。

（2）仪器仪表与实验线路板（或设备）的位置应合理布置，以方便实验操作和测量。

（3）仪器仪表上的旋钮有起止位置，旋转时用力要适度，到头时严禁强制用力旋转，以免损坏旋钮内部的轴及其连接部分，影响实验进行。

实验八 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C ＝εS ／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、S 、d 中三个参数中，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（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，而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，导致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： ()12ln 2r r l C πε= （1） 式中 l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；12r r 、——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 ()()()()ll C l l l l C r r r r r r ∆=∆=∆--=∆0121212ln 2ln 2ln 2πεπεπε （2） 于是，可得其静态灵敏度为： ()()()()()121212ln 4/ln 2ln 2r r r r r r g l l l l l l C k πεπεπε=∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆--∆+=∆∆= （3） 可见灵敏度与，12r r 有关，12r r 与越接近，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，因此可以很好的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。

三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。

四、实验步骤：1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。

06电容式传感器的位移特性实验
电容式传感器是一种常用的测量位移的传感器，它利用电容器的电容值与其电极间距离的关系来测量物体的位移。

以下是
06电容式传感器的位移特性实验步骤：
实验材料：
1. 06电容式传感器
2. 数字万用表
3. 电子秤
4. 尺子
5. 活动支架
步骤：
1. 将06电容式传感器放在活动支架上，调整传感器的高度，
使其平行地与实验台面接触。

2. 使用数字万用表测试传感器的电容值。

记录下传感器未受力时的电容值。

3. 在传感器上方放置一定质量的物体，使其挤压传感器。

在每个质量下，使用数字万用表再次测试传感器的电容值并记录。

注意每次测试前应等待其稳定。

4. 根据实验记录计算出传感器在不同挤压质量下的电容值变化，即位移量。

绘制出位移量-受力特性曲线。

实验注意事项：
1. 操作时要避免传感器受到横向的力，应保证其纵向受力，并且应尽量避免传感器的弯曲、捏压或折叠。

2. 测试数据时应先让传感器空置一段时间，等待温度稳定。

传
感器的输出信号应稳定后再进行测量。

3. 验证实验前要检查设备的正常运行,如电流表、电压表等应检查好其电子管,以免不必要损失。

实验结果：
通过实验可以得出传感器的位移特性曲线，可以了解到在不同的质量下，传感器的电容值发生的变化，从而得出传感器对力的检测能力及其灵敏度等基本特性。

实验一直流激励时霍尔传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。

二、基本原理：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

具有这种效应的元件成为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势 U H＝ K H IB ，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为U H kx ，式中k—位移传感器的灵敏度。

这样它就可以用来测量位移。

霍尔电动势的极性表示了元件的方向。

磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。

三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V 直流电源、测微头、数显单元。

四、实验步骤：1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线按图9-1进行。

1、 3 为电源±5V ， 2、4 为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，再调节Rw1 使数显表指示为零。

图 9-1直流激励时霍尔传感器位移实验接线图3、测微头往轴向方向推进，每转动0.2mm 记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表 9-1。

表9－ 1 X（ mm）V(mv)作出 V-X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

五、实验注意事项：1、对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。

2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V ，否则将可能烧毁霍尔元件。

六、思考题：本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的时什么量的变化？七、实验报告要求：1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。

2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。

实验二集成温度传感器的特性一、实验目的：了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。

二、基本原理：集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于－50℃－＋ 150℃之间测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极—发射极电压与温度成线性关系。

传感实验总结传感器技术与应用这门课虽只历时八周，但这却是第一次理论与实践结合能同步的专业课。

实验室去了两次，也做了很久，然自己想法甚多，多么渴望能多做些实验让自己所学的理论知识活起来。

这次试验主要做了四个实验：差动变压器的位移特性、电容式传感器的位移特性、电涡流传感器的位移特性、光纤传感器的位移特性。

下面分别说明：一．差动变压器的性能实验１.实验目的：了解差动变压器的工作原理及特性。

２. 基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段和三段式，本实验是三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈（做为差动变压器激励用，相当于变压器原边）和次级线圈（由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边）之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

３. 需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、电压表。

４.实验步骤：１）根据图1－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图1－1 差动变压器电容传感器安装示意图２）在模块上按图1－２接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div）。

图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。

接线时，航空插头上的号码与之对应。

当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。

判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端,按图1—2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

《传感器技术》实验指导书权义萍南京工业大学自动化学院目录实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 (3)实验二直流全桥的应用――电子秤实验 (7)实验三电容式传感器的位移特性实验 (9)实验四压电式传感器振动实验 (11)实验五直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 (13)实验六电涡流传感器综合实验 (15)实验七光纤传感器的位移特性实验 (18)实验一金属箔式应变片单臂、半桥性能比较实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理和性能。

二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

，对单臂电桥输出电压U o1= EKε/4。

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U O2＝EKε／2。

三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。

可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右图1－1 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器R W3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端V i相连，调节实验模板上调零电位器R W4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。

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。

一、实训目的电容式传感器实训旨在使学生了解电容式传感器的基本原理、结构、工作特性以及在实际应用中的重要性。

通过本次实训，学生应掌握电容式传感器的安装、调试、测试方法，并能够根据实际需求设计和应用电容式传感器。

二、实训内容1. 理论部分- 电容式传感器的基本原理：电容式传感器是利用电容变化来检测物理量的传感器。

其基本原理是通过测量电容的变化来检测被测量的物理量，如位移、振动、压力等。

- 电容式传感器的结构：电容式传感器主要由敏感元件、测量电路和信号处理电路组成。

- 电容式传感器的工作特性：电容式传感器具有高灵敏度、高精度、抗干扰能力强等特点。

2. 实践部分- 安装与调试1. 根据实验要求，将电容式传感器安装到相应的测试平台上。

2. 调整传感器与测试平台的距离，确保传感器能够正确地检测到被测量的物理量。

3. 调整传感器的灵敏度，使其在检测范围内达到最佳性能。

- 测试与数据分析1. 利用实验设备对电容式传感器进行测试，记录测试数据。

2. 分析测试数据，评估传感器的性能，如灵敏度、线性度、重复性等。

3. 根据测试结果，对传感器进行调整和优化。

3. 应用设计- 根据实验要求，设计一个应用实例，如位移测量、振动检测等。

- 分析应用实例中电容式传感器的需求，选择合适的传感器型号和参数。

- 设计电路，实现电容式传感器的信号采集、处理和输出。

三、实训结果与分析1. 测试结果通过实验，我们得到了以下测试结果：- 传感器的灵敏度为0.1mm/V，线性度为0.5%，重复性为0.3%。

- 在测试范围内，传感器能够稳定地检测到被测量的物理量。

2. 数据分析根据测试结果，我们可以得出以下结论：- 电容式传感器具有较高的灵敏度和线性度，能够满足实际应用的需求。

- 传感器的重复性好，稳定性高，适用于长时间连续工作。

3. 应用设计根据实验结果，我们设计了一个位移测量系统。

该系统采用电容式传感器作为测量元件，通过信号采集、处理和输出，实现了对位移的精确测量。

电容式传感器的位移实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：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，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。

电容传感器极板形状分成平板或圆板形和圆柱(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11—1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∆X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图11—1 实验电容传感器结构1、测量电路(电容变换器)：如图11—2所示，测量电路的核心部分是图11—3的电路。

图11—2 电容测量电路图11—3 二极管环形充放电电路在图11—3中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C5电容、L1电感和C X1、C X2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C X1和C X2两端电压均由E1充到E2。

充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对C X1充电到O点(地)；另一路由由ａ点经C5到c点，再经D5到d点对C X2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＝C X2(E2-E1) （11—1）当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容C X1和C X2均放电。