電容式傳感器特性實驗報告：傳感器實驗報告(電容式傳感器)
傳 感 器 技 術(shù) 實 驗 報 告
院（系） 機械工程系 專業(yè) 班級 姓 名 同組同學(xué) 實驗時間 2014 年 月 日，第 周，星期 第 節(jié) 實驗地點 單片機與傳感器實驗室 實驗臺號
實驗五 電容式傳感器的位移特性實驗
一、實驗?zāi)康?br/>1. 了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點；
2. 掌握差動變面積式電容傳感器的位移實驗技術(shù)。 二、實驗儀器
電容傳感器、電容傳感器實驗?zāi)０濉y微頭、數(shù)顯直流電壓表、直流穩(wěn)壓電源、絕緣護套
三、實驗原理
電容式傳感器是指能將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器，它實質(zhì)上是具有一個可變參數(shù)的電容器。利用平板電容器原理： d
S
d
S
C r =
=
εεε0
式中，S 為極板面積，d 為極板間距離，ε0真空介電常數(shù)，εr 介質(zhì)相對介電常數(shù)，由此可以看出當被測物理量使S 、d 或εr 發(fā)生變化時，電容量C 隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個參數(shù)不變而僅改變另一參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化單值地轉(zhuǎn)換為電容量的變化。所以電容傳感器可以分為三種類型：改變極間距離的變間隙式，改變極板面積的變面積式和改變介質(zhì)電常數(shù)的變介電常數(shù)式。這里采用變面積式，如圖1兩只平板電容器共享一個下極板，當下極板隨被測物體移動時，兩只電容器上下極板的有效面積一只增大，一只減小，將三個極板用導(dǎo)線引出，形成差動電容輸出。
圖1 差動式電容傳感器原理圖
四、實驗內(nèi)容與步驟
1．按圖2將電容傳感器安裝在傳感器固定架上，將傳感器引線插入電容傳感器實驗?zāi)K插座中。
2．將實驗?zāi)０迳系腞w 調(diào)節(jié)到中間位置(方法：逆時針轉(zhuǎn)到底再順時轉(zhuǎn)5圈)，Rw 確定
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電容式傳感器特性實驗報告：電容式傳感器位移特性實驗報告
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃電容式傳感器位移特性實驗報告 中南大學(xué) 驗報告 冶金科學(xué)與工程院系冶金專業(yè)10級試驗班級 姓名陳曉晨學(xué)號同組者席昭等實驗日期XX年4月08日指導(dǎo)教師 廣東技術(shù)師范學(xué)院實驗報告 學(xué)院：自動化專業(yè)：自動化姓名：實驗地點：學(xué)號： 實驗日期：班級：08自動化組 別： 成 績： 組員：指導(dǎo)教師簽名： 實驗九項目名稱：電容式傳感器的位移特性實驗 一、實驗?zāi)康摹 ×私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。 二、基本原理目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃電容式傳感器位移特性實驗報告 中南大學(xué) 驗報告 冶金科學(xué)與工程院系冶金專業(yè)10級試驗班級 姓名陳曉晨學(xué)號同組者席昭等實驗日期XX年4月08日指導(dǎo)教師 廣東技術(shù)師范學(xué)院實驗報告 學(xué)院：自動化專業(yè)：自動化姓名：實驗地點：學(xué)號： 實驗日期：班級：08自動化組 別： 成 績： 組員：指導(dǎo)教師簽名： 實驗九項目名稱：電容式傳感器的位移特性實驗 一、實驗?zāi)康摹 ×私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。 二、基本原理目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 利用平板電容C＝?s/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇?、S、d中三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度測微小位移和測量液位等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結(jié)構(gòu)對極距特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關(guān)系，成為實際中最 常用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為：C?2l r 式中l(wèi)——外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r2、r1——外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當兩圓筒相對移動?l時，電容變化量?C為： ln21?C? 2?ll?2?l2l?l ?C0r2r2r2 lln1ln1ln1于是，可得其靜態(tài)靈敏度為： ?C?2?ll?2?ll4 kg/?lr2r2r2 ?llnlnln111 可見靈敏度與r21，有關(guān)，r2與r1越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長度l與靈敏度無關(guān)，但l不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 本實驗為變面積式電容傳感器，采用差動式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對測量精度的影響，并且可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。 三、需用器件與單元 電容傳感器、傳感器實驗箱、傳感器調(diào)理電路掛件、測微頭、直流穩(wěn)壓源。智能直流電壓表 四、實驗步驟 1．將電容式傳感器裝于傳感器實驗箱的黑色支架上，將傳感器引線插頭插入傳感器調(diào)理電路中電容式傳感器實驗單元的插孔中。 2．Rw調(diào)節(jié)到大概中間位置，將“電容傳感器實驗”單元的輸出端Uo接入直流電壓表。 3．把?15V直流穩(wěn)壓電源接入“傳感器調(diào)理電路”實驗掛箱，檢查無誤后，開啟實驗臺面板上的直流穩(wěn)壓電源開關(guān)； 4．旋轉(zhuǎn)測微頭，改變電容傳感器動極板的位置，每隔記下位移X與輸出電壓值，填入表10-1。 表10-1電容傳感器位移與輸出電壓值 5．根據(jù)表10-1數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差?f。答：靈敏度S=22/=110非線性誤差?f=9/240*100%=% 五、實驗注意事項 1．傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。 2．做實驗時，不要用手或其它物體接觸傳感器，否則將會使線性變差。目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 六、思考題 1．簡述什么是電容式傳感器的邊緣效應(yīng)，它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響。 答：電容式傳感器的電容極板之間存在靜電場，使邊緣處的電場分布不均勻，造成電容的 邊緣效應(yīng)，這相當于在傳感器的電容里并聯(lián)了一個附加電容，這就叫做邊緣效應(yīng)。 影響：會引起極板間的電場分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降。2．電容式傳感器和電感式傳感器相比，有哪些優(yōu)缺點？ 答：電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度高；但由于邊緣效應(yīng)會造成非線性誤差，而且量程小。 圖10-1電容傳感器位移實驗接線圖 七、實驗報告要求 1．整理實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)所得的實驗數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線，并利用最小二乘法做出擬合直線，計算該傳感器的非線性誤差。 答：非線性誤差?f=9/240*100%=% 2．根據(jù)實驗結(jié)果，分析引起這些非線性的原因，并說明怎樣提高傳感器的線性度。答：由于邊緣效應(yīng)的影響，會引起極板間的電場分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在。采用差動式圓柱形結(jié)構(gòu)，可以減小非線性誤差。目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 廣東技術(shù)師范學(xué)院預(yù)習(xí)報告 學(xué)院：自動化專業(yè)：自動化姓名：實驗地點：學(xué)號： 實驗日期：班級：08自動化組 別： 成 績： 組員：指導(dǎo)教師簽名： 實驗九項目名稱：電容式傳感器的位移特性實驗 一、實驗?zāi)康摹 ×私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。 二、基本原理 利用平板電容C＝?s/d和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇?、S、d中三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度測微小位移和測量液位等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結(jié)構(gòu)對極距特別敏感，測量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關(guān)系，成為實際中最 常用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為：C?2l r目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 式中l(wèi)——外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r2、r1——外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當兩圓筒相對移動?l時，電容變化量?C為： ln21?C? 2?ll?2?l2l?l ?C0r2r2r2 lln1ln1ln1于是，可得其靜態(tài)靈敏度為： kg? ?C?2?ll?2?ll4 ?/?lr2 ?ll21?l21ln1? 可見靈敏度與r21，有關(guān)，r2與r1越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長度l與靈敏度無關(guān)，但l不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。 本實驗為變面積式電容傳感器，采用差動式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對測量精度的影響，并且可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。 三、需用器件與單元 電容傳感器、傳感器實驗箱、傳感器調(diào)理電路掛件、測微頭、直流穩(wěn)壓源。智能直流電壓表 四、實驗步驟目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 1．將電容式傳感器裝于傳感器實驗箱的黑色支架上，將傳感器引線插頭插入傳感器調(diào)理電路中電容式傳感器實驗單元的插孔中。 2．Rw調(diào)節(jié)到大概中間位置，將“電容傳感器實驗”單元的輸出端Uo接入直流電壓表。 3．把?15V直流穩(wěn)壓電源接入“傳感器調(diào)理電路”實驗掛箱，檢查無誤后，開啟實驗臺面板上的直流穩(wěn)壓電源開關(guān)； 4．旋轉(zhuǎn)測微頭，改變電容傳感器動極板的位置，每隔記下位移X與輸出電壓值， 五、實驗注意事項 1．傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。 2．做實驗時，不要用手或其它物體接觸傳感器，否則將會使線性變差。 六、思考題 1．簡述什么是電容式傳感器的邊緣效應(yīng)，它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響。 答：電容式傳感器的電容極板之間存在靜電場，使邊緣處的電場分布不均勻，造成電容的 邊緣效應(yīng)，這相當于在傳感器的電容里并聯(lián)了一個附加電容，這就叫做邊緣效應(yīng)。影響：會引起極板間的電場分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降。2．電容式傳感器和電感式傳感器相比，有哪些優(yōu)缺點？ 答：電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度高；但由于邊緣效應(yīng)會造成非線性誤差，而且量程小。目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 圖10-1電容傳感器位移實驗接線圖 電容式傳感器的位移特性 實驗 實驗序號：實驗十六系別：電子通信工程系班級：電****班組別：第五組成員：1****************連接線路120************引導(dǎo)實驗 120/////4******記錄數(shù)據(jù)12******8****撰寫報告 XX年3月30日 一、實驗?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。 二、基本原理：利用平板電容CA/d和其他結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇?、A、d三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度、測微小位移和測量液位等多種電容傳感器。 三、需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實驗?zāi)K、測微頭、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。 四、實驗步驟： 1、按圖3-1安裝示意圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗?zāi)K上。 電容傳感器安裝示意圖 2、將電容傳感器專用連線插入電容傳感器實驗?zāi)K專用接口，接線圖如下。目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場安保新項目的正常、順利開展，特制定安保從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能及個人素質(zhì)的培訓(xùn)計劃 3、將電容傳感器實驗?zāi)K的輸出端Vo1與數(shù)顯表單元Vi相 圖4-1電容傳感器位移實驗接線圖 Vi接 主 控箱數(shù)地顯 表 接主控箱電源輸出 接，Rw調(diào)節(jié)到中間位置。 4、接入±15V電源，旋動測微頭推進電容傳感器動極板位置，每隔記下位移X與輸出電壓值，填入表4-1。 表4-1電容傳感器位移與輸出電壓值 5、根據(jù)表4-1數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差?f。 位移電壓誤差 非線性誤差 目的-通過該培訓(xùn)員工可對保安行業(yè)有初步了解，并感受到安保行業(yè)的發(fā)展的巨大潛力，可提升其的專業(yè)水平，并確保其在這個行業(yè)的安全感。
電容式傳感器特性實驗報告：電容式傳感器特性實驗報告.docx
電容式傳感器特性實驗報告
成績： 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院《傳感器實驗及課程設(shè)計》 本科實驗報告 實驗項目：應(yīng)變片單臂特性實驗 學(xué)生姓名：楊娜 學(xué)號： E-mail：@ 實驗地點：地質(zhì)宮 XX年月日 一、實驗?zāi)康? 了解電阻應(yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路 二、實驗所用儀器設(shè)備 機頭中的應(yīng)變梁的應(yīng)變片、測微頭；顯示面板中的F/V表、±2V~±10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片、調(diào)理電路單元中的電橋、差動放大器、4?位數(shù)顯萬用表。 三、實驗原理 電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出。為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。單臂特性實驗基本電路如圖1—2所示。 Uo＝U①－U③ ＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E ＝｛〔－R7〕／〔〕｝E設(shè)R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K為靈敏度系數(shù)。則Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE 箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D如下： 圖中R5、R6、R7為350Ω固定電阻，R1為應(yīng)變片；RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源±4V。橋路輸出電壓Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE。差動放大器輸出為Vo。 四、實驗步驟 1.差動放大器調(diào)零：按圖1—8示意接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主、副電源開關(guān)；將差動放大器的增益電位器按順時針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆向回旋一點點，調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零，差動放大器的零點調(diào)節(jié)完成，關(guān)閉主電源。 應(yīng)變片單臂電橋特性實驗 將±2V~±10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源切換到4V檔，將主板上傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片與電橋單元中R1、R2、R3組成電橋電路。電橋的一對角接±4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的兩個輸入端。將W1電位器、r電阻直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中。如圖1—9示意圖接線。 圖1—9應(yīng)變片單臂電橋特性實驗接線示意圖 檢查無誤后合上主電源開關(guān)，當機頭上應(yīng)變梁自由端的測微頭離開自由端時調(diào)節(jié)電橋的直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)W1電位器，使電壓表顯示為0或接近0。 在測微頭吸合梁的自由端前調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，使測微頭的讀數(shù)為10mm左右；再松開測微頭支架軸套的緊固螺釘，調(diào)節(jié)測微頭支架高度，使梁吸合后進一步調(diào)節(jié)支架高度，同時觀察電壓表顯示絕對值盡量為最小時擰緊緊固螺釘以固定支架高度。仔細微調(diào)測微頭的微分筒，使電壓表顯示值為0，這時的測微頭刻度線位置作為梁位移的相對0位位移點。首先確定某個方向位移，以后每調(diào)節(jié)測微頭的微分筒一周產(chǎn)生位移，根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次增加并讀取相應(yīng)的電壓值填入表1中；然后反方向調(diào)節(jié)測微頭的微分筒使電壓表顯示0V，再根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次反方向增加并讀取相應(yīng)的電壓值填入表1-1中。 注：調(diào)節(jié)測微頭要仔細，微分筒每轉(zhuǎn)一周△X=，如果調(diào)節(jié)過量再回調(diào)，則產(chǎn)生回程差。表1—1 五、實驗結(jié)果及分析 根據(jù)表1-1數(shù)據(jù)畫出實驗曲線，并計算靈敏度S=△V/△X和非線性誤差δ， ?m/yFS?100%式中?m為輸出值與擬合直線的最大偏差。yFS為滿量程輸出平均 值，此處為相對總位移量。 由圖可以得出，靈敏度S=/mm 非線性誤差δ=-/×100%=%分析：應(yīng)變片的單臂特性是近似線性的。 六、實驗新得 調(diào)節(jié)測微頭時要仔細，不可調(diào)節(jié)過量再回調(diào)，否則產(chǎn)生回程差。 實驗一：常用傳感器 靜態(tài)性能測試 一、實驗?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點。其結(jié)構(gòu)如圖所示： 二、基本原理：利用電容C＝εA／d和其它結(jié)構(gòu)的關(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)，則可以有測谷物干燥度、測位移和測量液位等多種電容傳感器。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，如下圖所示：它是有二個圓筒和一個圓柱組成的。
電容式傳感器特性實驗報告：電容式傳感器的位移特性實驗報告
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1、 實驗四 電容式傳感器的位移特性實驗 一、一、 實驗實驗原理：原理： 利用平板電容 CS/d 和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測量電路可 以選擇 、S、d 中三個參數(shù)中，保持兩個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則 可以有測谷物干燥度（ 變）測微小位移（變 d）和測量液位（變 S）等多種電容 傳感器。 變面積型電容傳感器中， 平板結(jié)構(gòu)對極距特別敏感， 測量精度受到影響， 而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關(guān)系， （但 實際由于邊緣效應(yīng)的影響，會引起極板間的電場分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然 存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。 ）成為實際中最常用的結(jié)構(gòu)，其中 線位移
2、單組式的電容量 C 在忽略邊緣效應(yīng)時為： C=2d ln(r2/r1) 式中 r2為外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r1為外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外 半徑。當兩圓筒相對移動 l 時，電容變化量 C 為： C=2d ln(r2/r1) 2( ) ln(r2/r1)=2 ln(r2/r1)=0 于是，可得其靜態(tài)靈敏度為：==2( + ) ln(r2/r1) 2( ) ln(r2/r1) /=4 ln(r2/r1) 可見靈敏度與 r2/r1有關(guān)，r2、r1越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始 覆蓋長度 l 與靈敏度無關(guān)， 但 l 不可太小， 否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。 本
3、實驗為變面積式電容傳感器，采用差動式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消 除極距變化對測量精度的影響， 并且可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。 二、二、 實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)： 將電容傳感器實驗?zāi)０宓妮敵龆薞o與數(shù)顯單元Vi相接 （插入主控箱Vi孔） ， 然后調(diào)節(jié) Rw 到中間位置，接入15V 電源，旋動測微頭改變電容傳感器動極板 的位置，每隔 0.5mm 記下位移 X 與輸出電壓值，如表 1 所示。 表 1 實驗數(shù)據(jù)傳感器輸出電壓與位移 正行程 X/mm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 U/mv -510 -511 -513 -514 -517 -522 -
4、526 -530 -536 -540 -538 -540 X/mm 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 U/mv -533 -522 -510 -497 -483 -470 -458 -445 -432 -418 -403 -388 X/mm 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 U/mv -372 -356 -339 -322 -304 -286 -269 -251 -231 -211 -192 -171 X/mm 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.
5、5 23 23.5 U/mv -149 -127 -106 -85 -64 -43 -25 -3 15 35 52 64 X/mm 24 24.5 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5 U/mv 76 84 88 89 85 80 77 74 73 73 73 74 反行程 X/mm 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 25.5 25 24.5 24 U/mv 74 73 73 71 72 74 79 85 89 89 85 77 X/mm 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18
6、.5 18 U/mv 66 52 35 17 -1 -21 -40 -61 -82 -104 -125 -147 X/mm 17.5 17 16.5 16 15.5 15 14.5 14 13.5 13 12.5 12 U/mv -168 -188 -208 -226 -245 -264 -283 -300 -318 -334 -351 -366 X/mm 11.5 11 10.5 10 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 U/mv -381 -396 -411 -425 -438 -452 -466 -478 -491 -505 -517 -524 X/mm 5.5 5 4.5
7、4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 U/mv -530 -532 -534 -531 -526 -520 -515 -507 -502 -496 -489 -485 三、三、 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理： 1、輸入輸出特性曲線 由表 1 電容傳感器的輸出電壓值與輸入位移量可畫出該傳感器的輸入輸出 特性曲線，如圖 1 所示。 圖 1 電容傳感器特性曲線 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 13.5 15 16.5 18 19.5 21 22.5 24 25.5 27 28.5 輸出電壓U/m
8、v 位移X/mm 正行程反行程 由圖 1 可看到該特性曲線不完全是一條直線， 因此截取該傳感器的中間線性 區(qū)域做數(shù)據(jù)分析。 2、理論擬合直線與非線性誤差 截取輸入量x (6,23.5)mm區(qū)域，得到表 2 表 2 傳感器線性輸出區(qū)域 X/mm 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 U+/mv -533 -522 -510 -497 -483 -470 -458 -445 -432 -418 -403 -388 U-/mv -524 -517 -505 -491 -478 -466 -452 -438 -425 -411 -396 -381 X/mm 1
9、2 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 U+/mv -372 -356 -339 -322 -304 -286 -269 -251 -231 -211 -192 -171 U-/mv -366 -351 -334 -318 -300 -283 -264 -245 -226 -208 -188 -168 X/mm 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 U+/mv -149 -127 -106 -85 -64 -43 -25 -3 15 35 52 64 U-/mv -147 -125
10、-104 -82 -61 -40 -21 -1 17 35 52 66 由表 2 可知校準次數(shù) n=72，設(shè) xi 為自變量位移，yi 為應(yīng)變量輸出電壓，得 72=1=1062， 72=1=， 72=1=，2 72=1= 因為 k=2 （ ） 2 b=2 2 （ ） 2 求得k=35.，b=776.，因此最小二乘法的擬合直線方 程為y=35.25x 776.1 將 xi 代回上式得到理論擬合直線的各點數(shù)值，如表 3 所示 表 3 理論擬合直線的各點數(shù)值 xi 6 6.5 7 7.5 8 8
11、.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 yi -564.6 -547.0 -529.4 -511.7 -494.1 -476.5 -458.9 -441.2 -423.6 -406.0 -388.4 -370.7 xi 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 yi -353.1 -335.5 -317.9 -300.2 -282.6 -265.0 -247.4 -229.7 -212.1 -194.5 -176.9 -159.2 xi 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5
12、 yi -141.6 -124.0 -106.4 -88.73 -71.10 -53.48 -35.85 -18.23 -0.60 17.03 34.65 52.28 由表 3 數(shù)據(jù)可繪出理論擬合直線，如圖 2 所示 圖 2 理論擬合曲線 將校準值與理論擬合直線各相應(yīng)點數(shù)值求差，其中最大的那個值為， 由表 3 可得滿量程輸出+=597，=590，最后根據(jù)公式 L=100% 即可求得該電容傳感器的非線性誤差，如表 4 所示 表 4 校準值與理論擬合值的偏差 xi/mm y+ y- xi/mm y+ y- 6 -31.6 -40.6 15 21.6 16.6 6.5 -25 -30 15.5
13、21.3 15.3 7 -19.4 -24.4 16 18.9 13.9 7.5 -14.7 -20.7 16.5 16.5 13.5 8 -11.1 -16.1 17 15.1 11.1 8.5 -6.5 -10.5 17.5 11.8 8.8 9 -0.9 -6.9 18 7.4 5.4 9.5 3.8 -3.2 18.5 3 1 10 8.4 1.4 19 -0.4 -2.4 10.5 12 5 19.5 -3.73 -6.73 11 14.6 7.6 20 -7.1 -10.1 11.5 17.3 10.3 20.5 -10.48 -13.48 12 18.9 12.9 21 -10.
14、85 -14.85 12.5 20.5 15.5 21.5 -15.23 -17.23 13 21.1 16.1 22 -15.6 -17.6 13.5 21.8 17.8 22.5 -17.97 -17.97 14 21.4 17.4 23 -17.35 -17.35 14.5 21 18 23.5 -11.72 -13.72 max+ -31.6 yFS+ 597 L+ 5.293% max- -40.6 yFS- 590 L- 6.881% -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 理論擬合直
15、線正行程特性曲線反行程特性曲線 求 L+與L-的平均值得到該傳感器的最終線性度L=6.087% 4、靜態(tài)靈敏度 靈敏度表示傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化量y對輸入量變化量x 的 比值，即： K==()=() 由公式可看出它就是輸出輸入特性曲線的斜率， 在這里用理論擬合直線的 斜率代替，因此得到 k=35. mv/mm 5、遲滯誤差 遲滯指正反行程中輸出輸入特性曲線的不重合程度，用最大輸出差值 max 與滿量程輸出的百分比來表示，即 H=1 2 100% 由表 2 數(shù)據(jù)求得正反行程差，其中最大的值為Hmax，根據(jù)理論擬合直線 求出yFS=52.28 (564
16、.6)=616.88mv，由此求得遲滯誤差H，如表 5 所示 表 5 遲滯誤差 xi/mm H xi/mm H 6 -9 15 -5 6.5 -5 15.5 -6 7 -5 16 -5 7.5 -6 16.5 -3 8 -5 17 -4 8.5 -4 17.5 -3 9 -6 18 -2 9.5 -7 18.5 -2 10 -7 19 -2 10.5 -7 19.5 -3 11 -7 20 -3 11.5 -7 20.5 -3 12 -6 21 -4 12.5 -5 21.5 -2 13 -5 22 -2 13.5 -4 22.5 0 14 -4 23 0 14.5 -3 23.5 -2
17、yFS 616.88 Hmax 9 H 0.7295% 因此該傳感器的遲滯誤差H=0.7295% 四、四、 實驗總結(jié)實驗總結(jié) 由圖 1 可看到特性曲線的兩端是兩段曲線而非直線， 可能是由于邊緣效應(yīng)的 影響， 引起傳感器兩端極板間的電場分布不均勻，從而導(dǎo)致其特性曲線的兩端扭 曲顯示為非線性。但是觀察圖 2 又發(fā)現(xiàn)，即使選取了該傳感器的線性段，它的特 性曲線仍然存在一定的非線性誤差。而引起它非線性的原因，可能是由于實驗機 械老化、溫度漂移、肉眼讀取的位移值 X 存在一定讀數(shù)誤差和實驗過程中的操 作不當?shù)取?因此如何提高傳感器的線性度是一個值得思考的問題。 對于大多數(shù)生產(chǎn)廠家 和用戶都希望傳感器的線
18、性度指標最好，即傳感器的線性度誤差最小。由于傳感 器在材料和制造工藝方面存在著一定的局限性， 提高線性度的方法主要為硬件方 法和軟件方法：硬件補償方法是在電路中增加如電阻、電位器、二極管等硬件來 實現(xiàn)對傳感器的輸入輸出特性曲線進行線性化補償；軟件補償法常采用插值法、 查表法和模擬曲線法。 其中插值法應(yīng)用最廣泛，其補償精度與采樣點貨測量點的 多少或密集程度有密切聯(lián)系，采樣點越多，補償精度就越高。但采樣點增多勢必 造成產(chǎn)品制造成本增加，因此采用插值法補償時采樣點一般為 5 到 10 個。 五、五、 思考題：思考題： 1、簡述什么是傳感器的邊緣效應(yīng)，它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響。 對于平行板型電容器，其極板之間存在靜電場。 理想平行板電容器的電場線 是直線，但實際中在靠近邊緣的地方會變彎，相當于在傳感器電容中并聯(lián)了一個 電容，而且越靠邊就越彎到邊緣時最彎，這種現(xiàn)象叫做邊緣效應(yīng)。 帶來的不利影響： 會引起極板間的電場分布不均， 導(dǎo)致非線性問題仍然存在， 且靈敏度下降。 還可能會使傳感器的輸出阻抗變大，或使寄生電容產(chǎn)生的影響增 大，從而使得輸出特性的非線性變得更加不好。 2、電容式傳感器和電感式傳感器相比，有哪些優(yōu)缺點？ 優(yōu)點：電容式傳感器輸入能量小，靈敏度更高，動態(tài)特性好且結(jié)構(gòu)簡單、 環(huán)境適應(yīng)性好。 缺點：電容傳感器的非線性較大、受外界電容影響大，且輸出阻抗大，因 此負載能力差。
