光电学院《传感器技术》实验指导书(2016版).doc

传感器技术实验指导书 实验室名称：测控与传感器实验室（2） 实验室房号：A主1109 重庆大学光电工程学院 2016.3 实验一 电容式传感器原理与使用 一、实验目的：了解差动式同轴变面积电容式传感器的原理、结构、特点及应用。 二、基本原理： 1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C＝εA／d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，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高ε2(ｘ／ln(R／r)。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?C =C1－C2=ε2(2?X／ln(R／r)，式中ε2(、ln(R／r)为常数，说明?C与?X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。 电容传感器结构图 测量电路(电容变换器)：测量电路画在实验模板的面板上。其电路的核心部分是下图 的二极管环路充放电电路。 二极管环形充放电电路 在图中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和CX1、CX2（实验差动电容位移传感器）组成。 当高频激励电压(ｆ100kHz)输入到ａ点，由低电平E1跃到高电平E2时，电容CX1和CX2两端电压均由E1充到E2。充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对CX1充电到O点(地)；另一路由由ａ点经C4到c点，再经D5到d点对CX2充电到O点。此时，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内，由ａ到c点的电荷量为： Q1＝CX2(E2-E1) （1） 当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容CX1和CX2均放电。CX1经b点、D4、c点、C4、ａ点、L1放电到O点；CX2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c点到ａ点的电荷量为： Q2＝CX1(E2-E1) （2） 当然，（1）式和（2）式是在C4电容值远远大于传感器的CX1和CX2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路由图中实线、虚线箭头所示。 在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由c点到ａ点的电荷量为： Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E （3） 式中：CX1与CX2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。 设激励电压频率f＝1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为： i＝fＱ＝f△CX △E （4） 式中：△E—激励电压幅值；△CX—传感器的电容变化量。 由（4）式可看出：f、△E一定时，输出平均电流i与△CX成正比，此输出平均电流i经电路中的电感L2、电容C5滤波变为直流I输出，再经Rw转换成电压输出Vo1＝I Rw。由传感器原理已知?C与?X位移成正比，所以通过测量电路的输出电压Vo1就可知?X位移。 电容式位移传感器实验原理方块图如下图 电容式位移传感器实验方块图 三、需用器件与单元：主机箱±15V直流稳压电源、电压表；电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。 四、实验步骤： 附：测微头的组成与使用 测微头组成和读数如图 测位头组成与读数示意图 测微头组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。 测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1mm／格)，另一排是半毫米刻线(0.5mm／格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(0.01mm／格)。 用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移0.01mm，这也叫测微头的分度值。 测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如上图甲读数为3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如上图乙已过零则读2.514mm；如上图丙未过零，则不应读为2mm，读数应为1.980mm。 测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10mm处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺