电容式传感器的位移实验

1、中国地质大学（北京） 实验报告专用纸实验名称： 学号：1002123229 姓名：王秀禹 同组人员：实验一 电容式传感器的位移实验一、 实验目的：学会电容式传感器地初步使用，了解电容式传感器结构及其特点，对该传感器有一感性认识。二、基本原理： 利用电容CAd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、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（变）、测微小位移（d变）和测量液位（A变）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

2、应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性的问题依然存在，且灵敏度下降，但比变极距性好得多。）成为实际中常用的结构。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。其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：式中：X外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； R、 r外圆筒内半径和内圆柱外半径； 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 式中2p、ln(Rr)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。于是，可得其静态灵敏度为：可见灵敏度与有关，与越接近，灵敏度越高，虽然内外机筒原始覆盖长度X与灵敏

3、度无关，但X不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。三、需用器件与单元主机箱、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(实验模板的输出接主机箱电压表的)。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圈)。3、将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到档，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 ，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=.位移读取电压表读数(这样转10圈

4、读取相应的电压表读数)，将数据填入表1并作出实验曲线(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。实验完毕，关闭电源。 图1 电容传感器位移实验安装、接线图表1电容传感器位移与输出电压值X(mm) 10.010.210.410.610.811.011.211.4V(mv)0.0830.0570.026-0.005-0.032-0.064-0.095-0.130X(mm) 11.611.812.012.212.011.811.611.4V(mv)-0.166-0.190-0.228-0.254-0.237-0.209-0.184-0

5、.137X(mm) 11.211.010.810.610.410.210.0V(mv)-0.166-0.190-0.038-0.0000.0260.0580.093五、实验注意事项1、传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2、做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。六、实验记录与处理如表一所示表1电容传感器位移与输出电压值X(mm) 10.010.210.410.610.811.011.211.4V(mv)0.0830.0570.026-0.005-0.032-0.064-0.095-0.130X(mm) 11.611.812.012.212.011.811.611.4V(mv)-0.166

6、-0.190-0.228-0.254-0.237-0.209-0.184-0.137X(mm) 11.211.010.810.610.410.210.0V(mv)-0.166-0.190-0.038-0.0000.0260.0580.093采用前10个数据，下面将利用最小二乘法拟合更加符合实验数据处理的V-X曲线。在这里，直接利用最小二乘法的结论：V=a+bX，其中：计算a、b，可得；即得V-X拟合曲线：V=-121.01X+141.79误差分析：把X的值分别代入式V=-121.01X+141.79，可得：（单位均为mv）可得，线性度（非线性）为：七、思考题1、简述什么是传感器的边缘效应，它会

7、对传感器的性能带来哪些不利影响？答：（1）对于平行板型电容器，理想平行板电容器的电场线是直线的，但在实际情况中，在靠近边缘的地方会变弯，越靠边就越弯得厉害，到边缘时弯得最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。 （2）可能会使得电容式传感器的输出阻抗变得更大；使得寄生电容产生的影响变大；也有可能使得输出特性的非线性变得更加不好。2、电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？答：（1）优点： 1、输入能量小，灵敏度高； 2、动态特性好； 3、结构简单，环境适应性好。 （2）缺点： 1、非线性较大； 2、受外界电容影响大；3、输出阻抗大，负载能力差。3、根据实验结果，分析引起这些非线性的原因，并说明提高传感器的线性度可以通过哪些途径。 答：本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，经分析实验数据，可得：引起这些非线性的原因可能有：受边缘效应的影响，引起极板间的电场分布