电容式传感器的位移实验

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C ＝εA ／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、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：

2X

C=ln(R/r)επ

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

1202X

X C=C -C ==C ln(R/r)X

επ∆∆∆ 式中ε2、ln(R ／r)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：

g C 2+X 2-X 4k ==-/X=X ln(R/r)ln(R/r)ln(R/r)

X X επεπεπ⎡⎤∆∆∆∆⎢⎥∆⎣⎦（）（） 可见灵敏度与R/r 有关，R 与r 越接近，灵敏度越高，虽然内外机筒原始覆盖长度X 与灵敏度无关，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

接主机箱电压表的Ｖｉｎ)。实验模板上并按图示意接线(实验模板的输出Ｖ

Ｏ１

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３圈)。

3、将主机箱上的电压表量程(显示选择)开关打到２ｖ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０ｖ，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△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数(这样转10圈读取相应的电压表读数)，将数据填入表1并作出Ｘ—Ｖ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δ。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)

V(

mv)

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

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：

21

122

11a ()K K i i

i i i i K K

i i i i x y y x x K x ====-=-∑∑∑∑ 1112

2

11b ()K K K i i i

i

i i i K K i i i i x y K x y x K x =====-=-∑∑∑∑∑ 计算a 、b ，可得a=141.79；b -121.01=

即得V-X 拟合曲线：V=+

误差分析：

把X 的值分别代入式V=+，可得：

1234567891V =1.412V =1.304V =-1.284V =-0.182V =-0.88V =-1.178V =-1.576V =0.526V =0.428V =1.53∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆；；；；；

；；；；。

（单位均为mv ）

可得，线性度（非线性）为： max 7110 1.576=

100%100%100%0.724%117.288(100.23)

L FS V V V V V δ∆∆⨯=⨯=⨯=--- 七、思考题

1、简述什么是传感器的边缘效应，它会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不均匀；温度漂移；肉眼读取的位移值X存在一定误差；实验过程中的操作不当等。要提高传感器的线性度，我认为，可以将电容式传感器做成差动形式，实验表明，这种方法在实际应用中可以较好的提高传感器的灵敏度和减小非线性，是目前较为可行的方法。