電容式傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告：傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告(電容式傳感器)
傳 感 器 技 術(shù) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告
院（系） 機(jī)械工程系 專業(yè) 班級(jí) 姓 名 同組同學(xué) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2014 年 月 日，第 周，星期 第 節(jié) 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn) 單片機(jī)與傳感器實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)
實(shí)驗(yàn)五 電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>1. 了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)；
2. 掌握差動(dòng)變面積式電容傳感器的位移實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)儀器
電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉y(cè)微頭、數(shù)顯直流電壓表、直流穩(wěn)壓電源、絕緣護(hù)套
三、實(shí)驗(yàn)原理
電容式傳感器是指能將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器，它實(shí)質(zhì)上是具有一個(gè)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(duì)介電常數(shù)，由此可以看出當(dāng)被測(cè)物理量使S 、d 或εr 發(fā)生變化時(shí)，電容量C 隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個(gè)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(gè)下極板，當(dāng)下極板隨被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，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(gè)極板用導(dǎo)線引出，形成差動(dòng)電容輸出。
圖1 差動(dòng)式電容傳感器原理圖
四、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)K插座中。
2．將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞w 調(diào)節(jié)到中間位置(方法：逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底再順時(shí)轉(zhuǎn)5圈)，Rw 確定
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電容式傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告：電容式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告
為了適應(yīng)公司新戰(zhàn)略的發(fā)展，保障停車場(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃電容式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 中南大學(xué) 驗(yàn)報(bào)告 冶金科學(xué)與工程院系冶金專業(yè)10級(jí)試驗(yàn)班級(jí) 姓名陳曉晨學(xué)號(hào)同組者席昭等實(shí)驗(yàn)日期XX年4月08日指導(dǎo)教師 廣東技術(shù)師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué)院：自動(dòng)化專業(yè)：自動(dòng)化姓名：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)日期：班級(jí)：08自動(dòng)化組 別： 成 績(jī)： 組員：指導(dǎo)教師簽名： 實(shí)驗(yàn)九項(xiàng)目名稱：電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹 ×私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。 二、基本原理目的-通過該培訓(xùn)員工可對(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃電容式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 中南大學(xué) 驗(yàn)報(bào)告 冶金科學(xué)與工程院系冶金專業(yè)10級(jí)試驗(yàn)班級(jí) 姓名陳曉晨學(xué)號(hào)同組者席昭等實(shí)驗(yàn)日期XX年4月08日指導(dǎo)教師 廣東技術(shù)師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué)院：自動(dòng)化專業(yè)：自動(dòng)化姓名：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)日期：班級(jí)：08自動(dòng)化組 別： 成 績(jī)： 組員：指導(dǎo)教師簽名： 實(shí)驗(yàn)九項(xiàng)目名稱：電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹 ×私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。 二、基本原理目的-通過該培訓(xùn)員工可對(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)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(cè)量電路可以選擇?、S、d中三個(gè)參數(shù)中，保持兩個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度測(cè)微小位移和測(cè)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(duì)極距特別敏感，測(cè)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(shí)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(shí)為：C?2l r 式中l(wèi)——外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；r2、r1——外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)?l時(shí)，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(zhǎng)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(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃 本實(shí)驗(yàn)為變面積式電容傳感器，采用差動(dòng)式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對(duì)測(cè)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(shí)驗(yàn)箱、傳感器調(diào)理電路掛件、測(cè)微頭、直流穩(wěn)壓源。智能直流電壓表 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1．將電容式傳感器裝于傳感器實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)掛箱，檢查無誤后，開啟實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板上的直流穩(wěn)壓電源開關(guān)； 4．旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，改變電容傳感器動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1．傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。 2．做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不要用手或其它物體接觸傳感器，否則將會(huì)使線性變差。目的-通過該培訓(xùn)員工可對(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃 六、思考題 1．簡(jiǎn)述什么是電容式傳感器的邊緣效應(yīng)，它會(huì)對(duì)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(chǎng)，使邊緣處的電場(chǎng)分布不均勻，造成電容的 邊緣效應(yīng)，這相當(dāng)于在傳感器的電容里并聯(lián)了一個(gè)附加電容，這就叫做邊緣效應(yīng)。 影響：會(huì)引起極板間的電場(chǎng)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(diǎn)？ 答：電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(huì)造成非線性誤差，而且量程小。 圖10-1電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1．整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(huì)引起極板間的電場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在。采用差動(dòng)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(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃 廣東技術(shù)師范學(xué)院預(yù)習(xí)報(bào)告 學(xué)院：自動(dòng)化專業(yè)：自動(dòng)化姓名：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)日期：班級(jí)：08自動(dòng)化組 別： 成 績(jī)： 組員：指導(dǎo)教師簽名： 實(shí)驗(yàn)九項(xiàng)目名稱：電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹 ×私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。 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(cè)量電路可以選擇?、S、d中三個(gè)參數(shù)中，保持兩個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度測(cè)微小位移和測(cè)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(duì)極距特別敏感，測(cè)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(shí)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(shí)為：C?2l r目的-通過該培訓(xùn)員工可對(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃 式中l(wèi)——外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；r2、r1——外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。 當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)?l時(shí)，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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)為變面積式電容傳感器，采用差動(dòng)式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消除極距變化對(duì)測(cè)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(shí)驗(yàn)箱、傳感器調(diào)理電路掛件、測(cè)微頭、直流穩(wěn)壓源。智能直流電壓表 四、實(shí)驗(yàn)步驟目的-通過該培訓(xùn)員工可對(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃 1．將電容式傳感器裝于傳感器實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)掛箱，檢查無誤后，開啟實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板上的直流穩(wěn)壓電源開關(guān)； 4．旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭，改變電容傳感器動(dòng)極板的位置，每隔記下位移X與輸出電壓值， 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1．傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。 2．做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不要用手或其它物體接觸傳感器，否則將會(huì)使線性變差。 六、思考題 1．簡(jiǎn)述什么是電容式傳感器的邊緣效應(yīng)，它會(huì)對(duì)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(chǎng)，使邊緣處的電場(chǎng)分布不均勻，造成電容的 邊緣效應(yīng)，這相當(dāng)于在傳感器的電容里并聯(lián)了一個(gè)附加電容，這就叫做邊緣效應(yīng)。影響：會(huì)引起極板間的電場(chǎng)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(diǎn)？ 答：電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(huì)造成非線性誤差，而且量程小。目的-通過該培訓(xùn)員工可對(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃 圖10-1電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖 電容式傳感器的位移特性 實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)序號(hào)：實(shí)驗(yàn)十六系別：電子通信工程系班級(jí)：電****班組別：第五組成員：1****************連接線路120************引導(dǎo)實(shí)驗(yàn) 120/////4******記錄數(shù)據(jù)12******8****撰寫報(bào)告 XX年3月30日 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。 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(cè)量電路可以選擇?、A、d三個(gè)參數(shù)中，保持兩個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度、測(cè)微小位移和測(cè)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(shí)驗(yàn)?zāi)K、測(cè)微頭、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源。 四、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)?zāi)K專用接口，接線圖如下。目的-通過該培訓(xùn)員工可對(duì)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(gè)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(chǎng)安保新項(xiàng)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(gè)人素質(zhì)的培訓(xùn)計(jì)劃 3、將電容傳感器實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)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(dòng)測(cè)微頭推進(jìn)電容傳感器動(dòng)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(jì)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(duì)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(gè)行業(yè)的安全感。
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電容式傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告
成績(jī)： 吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院《傳感器實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)》 本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：應(yīng)變片單臂特性實(shí)驗(yàn) 學(xué)生姓名：楊娜 學(xué)號(hào)： E-mail：@ 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：地質(zhì)宮 XX年月日 一、實(shí)驗(yàn)?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(cè)量電路 二、實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備 機(jī)頭中的應(yīng)變梁的應(yīng)變片、測(cè)微頭；顯示面板中的F/V表、±2V~±10V步進(jìn)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(dòng)放大器、4?位數(shù)顯萬用表。 三、實(shí)驗(yàn)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(jī)械裝置將被測(cè)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(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)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(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)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(hào)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(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能最好。單臂特性實(shí)驗(yàn)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?yàn)原理圖如下： 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(dòng)放大器輸出為Vo。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.差動(dòng)放大器調(diào)零：按圖1—8示意接線，將主機(jī)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(dòng)放大器的增益電位器按順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆向回旋一點(diǎn)點(diǎn)，調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的調(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零，差動(dòng)放大器的零點(diǎn)調(diào)節(jié)完成，關(guān)閉主電源。 應(yīng)變片單臂電橋特性實(shí)驗(yàn) 將±2V~±10V步進(jìn)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(duì)角接±4V直流電源，另一對(duì)角作為電橋的輸出接差動(dòng)放大器的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)接線示意圖 檢查無誤后合上主電源開關(guān)，當(dāng)機(jī)頭上應(yīng)變梁自由端的測(cè)微頭離開自由端時(shí)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(cè)微頭吸合梁的自由端前調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，使測(cè)微頭的讀數(shù)為10mm左右；再松開測(cè)微頭支架軸套的緊固螺釘，調(diào)節(jié)測(cè)微頭支架高度，使梁吸合后進(jìn)一步調(diào)節(jié)支架高度，同時(shí)觀察電壓表顯示絕對(duì)值盡量為最小時(shí)擰緊緊固螺釘以固定支架高度。仔細(xì)微調(diào)測(cè)微頭的微分筒，使電壓表顯示值為0，這時(shí)的測(cè)微頭刻度線位置作為梁位移的相對(duì)0位位移點(diǎn)。首先確定某個(gè)方向位移，以后每調(diào)節(jié)測(cè)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(cè)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(cè)微頭要仔細(xì)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 根據(jù)表1-1數(shù)據(jù)畫出實(shí)驗(yàn)曲線，并計(jì)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(duì)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(shí)驗(yàn)新得 調(diào)節(jié)測(cè)微頭時(shí)要仔細(xì)，不可調(diào)節(jié)過量再回調(diào)，否則產(chǎn)生回程差。 實(shí)驗(yàn)一：常用傳感器 靜態(tài)性能測(cè)試 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娙菔絺鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。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(cè)量電路可以選擇ε、A、d中三個(gè)參數(shù)中，保持二個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度、測(cè)位移和測(cè)量液位等多種電容傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器，如下圖所示：它是有二個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。
電容式傳感器特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告：電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)報(bào)告
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1、 實(shí)驗(yàn)四 電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn) 一、一、 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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(cè)量電路可 以選擇 、S、d 中三個(gè)參數(shù)中，保持兩個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則 可以有測(cè)谷物干燥度（ 變）測(cè)微小位移（變 d）和測(cè)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(duì)極距特別敏感， 測(cè)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(shí)際由于邊緣效應(yīng)的影響，會(huì)引起極板間的電場(chǎng)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(shí)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(shí)為： C=2d ln(r2/r1) 式中 r2為外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；r1為外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外 半徑。當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng) l 時(shí)，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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)為變面積式電容傳感器，采用差動(dòng)式圓柱形結(jié)構(gòu)，因此可以很好的消 除極距變化對(duì)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 將電容傳感器實(shí)驗(yàn)?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(dòng)測(cè)微頭改變電容傳感器動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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?yàn)?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(diǎn)數(shù)值，如表 3 所示 表 3 理論擬合直線的各點(diǎn)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(zhǔn)值與理論擬合直線各相應(yīng)點(diǎn)數(shù)值求差，其中最大的那個(gè)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(zhǔn)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(duì)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(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)機(jī) 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(shí)驗(yàn)過程中的操 作不當(dāng)?shù)取?因此如何提高傳感器的線性度是一個(gè)值得思考的問題。 對(duì)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(biāo)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(bǔ)償方法是在電路中增加如電阻、電位器、二極管等硬件來 實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的輸入輸出特性曲線進(jìn)行線性化補(bǔ)償；軟件補(bǔ)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(bǔ)償精度與采樣點(diǎn)貨測(cè)量點(diǎn)的 多少或密集程度有密切聯(lián)系，采樣點(diǎn)越多，補(bǔ)償精度就越高。但采樣點(diǎn)增多勢(shì)必 造成產(chǎn)品制造成本增加，因此采用插值法補(bǔ)償時(shí)采樣點(diǎn)一般為 5 到 10 個(gè)。 五、五、 思考題：思考題： 1、簡(jiǎn)述什么是傳感器的邊緣效應(yīng)，它會(huì)對(duì)傳感器的性能帶來哪些不利影響。 對(duì)于平行板型電容器，其極板之間存在靜電場(chǎng)。 理想平行板電容器的電場(chǎng)線 是直線，但實(shí)際中在靠近邊緣的地方會(huì)變彎，相當(dāng)于在傳感器電容中并聯(lián)了一個(gè) 電容，而且越靠邊就越彎到邊緣時(shí)最彎，這種現(xiàn)象叫做邊緣效應(yīng)。 帶來的不利影響： 會(huì)引起極板間的電場(chǎng)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(huì)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(diǎn)？ 優(yōu)點(diǎn)：電容式傳感器輸入能量小，靈敏度更高，動(dòng)態(tài)特性好且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 環(huán)境適應(yīng)性好。 缺點(diǎn)：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(fù)載能力差。
