实验三传感器特性试验：

传感器特性试验：

（一） 变面积式电容传感器特性实验

一、实验目的

1、了解变面积式电容传感器的基本结构。

2、掌握变面积式电容及二极管环形电桥的工作原理。

3、掌握变面积式电容传感器的调试方法。

二、知识要点：

电容式传感器，实质上是一个具有：可变参数的电容器。

中间充满介质的两块平行金属极板构成的电容器，其电容量为：

δ

εεA

C 0=

（4-8） 式中：ε—介质相对真空的介电常数，空气中

ε≈1；ε0—真空的介电常数

ε0=8.85⨯10-12F /m ；δ—极板间距；A ：遮盖 极板面积。

当被测量的电容若使δ、A 或ε发生变化时，都会引起电容量 C 的变化。实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不同，可分为三类： 改变极板间距δ 的极距变化型、改变极板相互遮盖面积A 的面积变化型、改变极板间介质ε 的介质变化型（改变ε）。

本实验是最常用的面积变化型 ；即：改变极板相互遮盖面积的，面积变化型

三、实验所用单元

电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。

四、实验原理及电路

1、实验电路框图如图1所示。电容的变化通过电容转换电路转换成电压信号，经过差动放大器放大后，用数字电压表显示出来。

差 动放大器

电容转换电路数 字电压表

C 0

Cx 2Cx 1

图1 电容式传感器实验电路框图

2、图1中的电容转换电路图如图2所示。图中的信号发生器用于产生方波信号。电容转换由二极管环形电桥完成，二极管环电桥工作原理如图3所示。

固定频率的方波脉冲由A 点输入，在方波的上升过程，C 0被充电，充电途

径是VD 3→C 0；与此同时，Cx 1也被充电，其充电途径是C 9→VD 5→Cx 1。在方波的下降沿，C 0和Cx 1都放电，C 0的放电途径是C 0→VD 4→C 9；Cx 1的放电途径是Cx 1→VD 6。由于C 9在一个周期内的充电和放电平均电流分别为：I c ＝fV P Cx 1和I f ＝fV P C 0，式中f 是脉冲频率，V P 为方波峰值电压，因此AB 间的平均电流I ＝I c －I f ＝fV P (C 0-Cx 1)。从该式中可以看出电容的变化与AB 间的电路成正比。 在图2中，增加了L 1、L 2、C 10和R 6 ；L 1和L 2对高频方波的阻抗很大，而对于直流来说电阻很小，与R 6一起形成了AB 间的直流通路，从而使充放电流的直流分量得以通过。C 10用作滤波。这样在R 6两端就有与电容变化量成正比的直流电压输出。

信号发生器

+15V -15V

C 0Cx 1

Cx 2

+5V VD 3

VD 4VD 5VD 6C 9

L 1

L 2

C 10

R 6

OUT

二极管环形电桥

图2 电容转换电路原理图

C 0

Cx 1

VD 3

VD 4

VD 5VD 6

C 9

A

B

图3 二极管环形电桥原理图

四、实验步骤

1、固定好位移台架，将电容式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示12mm 左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，再将测微器测杆与电容式传感器动极旋紧。然后调节两个滚花螺母，使电容式传感器的动极上表面与静极上表面基本平齐，且静极能上下轻松滑动，这时将两个滚花螺母旋紧。

2、差动放大器调零（参见实验一）。

3、按图2接线，将可变电容Cx 1与固定电容C 0接到实验板上，位移台架的接地孔与转换电路板的地线相连。

4、接通电源，调节测微器使输出电压U O接近零，然后上移或下移测微器1mm，调节差动放大器增益，使输出电压的值为200～400mV左右，再回调测微器，使输出电压为0mV，并以此为系统零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X与对应的输出电压U O记入下表中。

表 1

X(mm) 0

U O(mV) 0

五、实验报告

1、根据表1，画出输入/输出特性曲线)X(f

U

，并且计算灵敏度和非线

O

性误差。

2、本实验的灵敏度和线性度取决于哪些因素？

（二）差动变压器的特性实验

一、实验目的

1、了解差动变压器的基本结构。

2、掌握差动变压器及整流电路的工作原理。

3、掌握差动变压器的调试方法。

二、工作原理及实验电路

1、差动变压器的工作原理类似变压器的工作原理。它主要包括有：

衔铁、一次绕组和二次绕组等组成。一、二次绕组间的耦合能随

衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由

于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，其输

出电势反映出铁芯的位移量，所以把这种传感器称为差动变压器

式电感传感器，通常简称差动变压器。

差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图4.2.2所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有交电阻。

图4.2.1 差动变压器的结构示意图图4.2.2 差动变压器的等效电路

对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。

当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的是量程内，衔动移越大，差动输出电动势就越大。