一、電容式傳感器的位移實驗?zāi)康模?/span>

了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點。

二、基本原理：

1、原理簡述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來實現(xiàn)測量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C＝εA／d關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇ε、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測干燥度（ε變）、測位移（d變）和測液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，差動式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖11—1所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為C=ε2pｘ／ln(R／r)。圖中C1、C2是差動連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生?X位移時，電容量的變化量為?C =C1－C2=ε2p2?X／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)為常數(shù)，說明?C與?X位移成正比，配上配套測量電路能測量位移。

圖11—1  實驗電容傳感器結(jié)構(gòu)

1、 測量電路(電容變換器)：如圖11—2所示，測量電路的核心部分是圖11—3的電路。

圖11—2 電容測量電路

圖11—3 二極管環(huán)形充放電電路

在圖11—3中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、C5電容、L1電感和CX1、CX2實驗差動電容位移傳感器組成。

當(dāng)高頻激勵電壓(ｆ>100kHz)輸入到ａ點，由低電平E1躍到高電平E2時，電容CX1和

CX2兩端電壓均由E1充到E2。充電電荷一路由ａ點經(jīng)D3到b點，再對CX1充電到O點(地)；另一路由由ａ點經(jīng)C5到c點，再經(jīng)D5到d點對CX2充電到O點。此時，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充電時間內(nèi)，由ａ到c點的電荷量為：

Q1＝CX2(E2-E1)       （11—1）

    當(dāng)高頻激勵電壓由高電平E2返回到低電平E1時，電容CX1和CX2均放電。CX1經(jīng)b點、D4、c點、C5、ａ點、L1放電到O點；CX2經(jīng)d點、D6、L1放電到O點。在t2放電時間內(nèi)由c點到ａ點的電荷量為：

Q2＝CX1(E2-E1)       （11—2）

當(dāng)然，（11—1）式和（11—2）式是在C5電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C5的充放電回路由圖11—3中實線、虛線箭頭所示。

在一個充放電周期內(nèi)（Ｔ＝t1＋t2），由c點到ａQ2＝CX1(E2-E1)點的電荷量為：

Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E       （11—3）

式中：CX1與CX2的變化趨勢是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動式）。

設(shè)激勵電壓頻率f＝1/T，則流過ac支路輸出的平均電流i為：

i＝fＱ＝f△CX △E           （11—4）

式中：△E—激勵電壓幅值；△CX—傳感器的電容變化量。

由（11—4）式可看出：f、△E一定時，輸出平均電流i與△CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L2、電容C6濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)Rw轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1＝I Rw。由傳感器原理已知?C與?X位移成正比，所以通過測量電路的輸出電壓Vo1可知?X位移。

2、 電容式位移傳感器實驗原理方塊圖如圖11—4

圖11—4電容式位移傳感器實驗方塊圖

三、需用器件與單元：

機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、電容傳感器、測微頭、主板F／V表、電容輸出口、電容變換器、差動放大器。

四、實驗步驟：

附：測微頭的組成與使用

測微頭組成和讀數(shù)如圖11—5所示。

圖11—5測位頭組成與讀數(shù)

測微頭組成： 測微頭由不可動部分中的安裝套、軸套和可動部分中的測桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。

測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線(1ｍｍ／格)，另一排是半毫米刻線(0.5ｍｍ／格)；微分筒前部圓周表面上刻有50等分的刻線(0.01ｍｍ／格)。

用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向移動微小位移0.01毫米，這也叫測微頭的分度值。

測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀1／10分度，如圖11—5甲讀數(shù)為3.678ｍｍ，不是3.178ｍｍ；遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應(yīng)看微分筒的示值是否過零，如圖11—5乙已過零則讀2.514ｍｍ；如圖11—5丙未過零，則不應(yīng)讀為２ｍｍ，讀數(shù)應(yīng)為1.980ｍｍ。

測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動微分筒到10ｍｍ處(為了保留測桿軸向前、后位移的余量)，再將測微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，移動測微頭的安裝套(測微頭整體移動)使測桿與被測體連接并使被測體處于合適位置(視具體實驗而定)時再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測體會隨測桿而位移。

1、差動放大器調(diào)零：按圖11—6所示接線。將F／V表的量程切換開關(guān)切換到2V檔，

合上實驗箱主電源開關(guān)，將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開”位置，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)到底后再逆向回轉(zhuǎn)半圈，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。再關(guān)閉主電源。

圖11—6 差動放大器調(diào)零接線圖

1、 電容傳感器的位移測量系統(tǒng)電路調(diào)整：

將電容傳感器安裝在機(jī)頭的靜態(tài)位移安裝架上(傳感器動極片連接桿的標(biāo)記刻線朝上

方)并將引線插頭插入傳感器輸入插座內(nèi)，如圖11—7的機(jī)頭部分所示。再按圖11—7主板部分的接線示意圖接線，將F／V表的量程切換開關(guān)切換到20V檔，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，將電容變換器的撥動開關(guān)撥到“開”位置并將電容變換器的增益順針方向慢慢轉(zhuǎn)到底再反方向回轉(zhuǎn)半圈。

拉出(向右慢慢拉)傳感器動極片連接桿，使連接桿上的第二根標(biāo)記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，調(diào)節(jié)差動放大器的增益旋鈕使電壓表顯示值為1V左右；推進(jìn)(向左慢慢推) 傳感器動極片連接桿，使連接桿上的一根標(biāo)記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零旋鈕(0電平遷移)使電壓表反方向顯示值為1V左右。重復(fù)這一過程，使傳感器的二條標(biāo)記刻線(傳感器的位移行程范圍)對應(yīng)于差動放大器的輸出為±1V左右。

圖11—7電容傳感器位移測量系統(tǒng)電路調(diào)整安裝、接線圖

3、安裝測微頭：

首先調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，使微分筒的0刻度線對準(zhǔn)軸套的20mm處，再將測微頭的安

裝套插入靜態(tài)位移安裝架的測微頭安裝孔內(nèi)并使測微頭測桿與傳感器的動極片連接桿吸合；然后移動測微頭的安裝套使傳感器連桿上的第二根標(biāo)記刻線與傳感器夾緊螺母端口并齊后擰緊測微頭安裝孔上的緊固螺釘，如圖11—8機(jī)頭部分所示。

4、傳感器位移特性實驗：

安裝好測微頭后(測微頭的微分筒0刻度線對準(zhǔn)軸套的20mm處)，讀取電壓表顯示的電

壓值為起始點，再仔細(xì)慢慢順時針轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒一圈△X=0.5mm(不能轉(zhuǎn)動過量，否則回轉(zhuǎn)會引起機(jī)械回程差)從F／V表上讀出輸出電壓值，填入下表11，直到傳感器連桿上的一根標(biāo)記刻線與傳感器夾緊螺母端口并齊為止。

表11電容傳感器測位移實驗數(shù)據(jù)

圖11—8  測微頭的安裝圖(機(jī)頭部分所示)

5、根據(jù)表11數(shù)據(jù)作出△X—V實驗曲線，在實驗曲線上截取線性比較好的線段作為測量范圍并計算靈敏度S=△V／△X與線性度。實驗完畢，關(guān)閉所有電源開關(guān)。