一、電容式傳感器的位移實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/span>

了解電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。

二、基本原理：

1、原理簡述：電容傳感器是以各種類型的電容器為傳感元件，將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電容量的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。電容傳感器的輸出是電容的變化量。利用電容C＝εA／d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)干燥度（ε變）、測(cè)位移（d變）和測(cè)液位（A變）等多種電容傳感器。電容傳感器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。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，差動(dòng)式一般優(yōu)于單組(單邊)式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。如圖11—1所示：它是有二個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。設(shè)圓筒的半徑為R；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為C=ε2pｘ／ln(R／r)。圖中C1、C2是差動(dòng)連接，當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生?X位移時(shí)，電容量的變化量為?C =C1－C2=ε2p2?X／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)為常數(shù)，說明?C與?X位移成正比，配上配套測(cè)量電路能測(cè)量位移。

圖11—1  實(shí)驗(yàn)電容傳感器結(jié)構(gòu)

1、 測(cè)量電路(電容變換器)：如圖11—2所示，測(cè)量電路的核心部分是圖11—3的電路。

圖11—2 電容測(cè)量電路

圖11—3 二極管環(huán)形充放電電路

在圖11—3中，環(huán)形充放電電路由D3、D4、D5、D6二極管、C5電容、L1電感和CX1、CX2實(shí)驗(yàn)差動(dòng)電容位移傳感器組成。

當(dāng)高頻激勵(lì)電壓(ｆ>100kHz)輸入到ａ點(diǎn)，由低電平E1躍到高電平E2時(shí)，電容CX1和

CX2兩端電壓均由E1充到E2。充電電荷一路由ａ點(diǎn)經(jīng)D3到b點(diǎn)，再對(duì)CX1充電到O點(diǎn)(地)；另一路由由ａ點(diǎn)經(jīng)C5到c點(diǎn)，再經(jīng)D5到d點(diǎn)對(duì)CX2充電到O點(diǎn)。此時(shí)，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充電時(shí)間內(nèi)，由ａ到c點(diǎn)的電荷量為：

Q1＝CX2(E2-E1)       （11—1）

    當(dāng)高頻激勵(lì)電壓由高電平E2返回到低電平E1時(shí)，電容CX1和CX2均放電。CX1經(jīng)b點(diǎn)、D4、c點(diǎn)、C5、ａ點(diǎn)、L1放電到O點(diǎn)；CX2經(jīng)d點(diǎn)、D6、L1放電到O點(diǎn)。在t2放電時(shí)間內(nèi)由c點(diǎn)到ａ點(diǎn)的電荷量為：

Q2＝CX1(E2-E1)       （11—2）

當(dāng)然，（11—1）式和（11—2）式是在C5電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器的CX1和CX2電容值的前提下得到的結(jié)果。電容C5的充放電回路由圖11—3中實(shí)線、虛線箭頭所示。

在一個(gè)充放電周期內(nèi)（Ｔ＝t1＋t2），由c點(diǎn)到ａQ2＝CX1(E2-E1)點(diǎn)的電荷量為：

Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E       （11—3）

式中：CX1與CX2的變化趨勢(shì)是相反的（傳感器的結(jié)構(gòu)決定的，是差動(dòng)式）。

設(shè)激勵(lì)電壓頻率f＝1/T，則流過ac支路輸出的平均電流i為：

i＝fＱ＝f△CX △E           （11—4）

式中：△E—激勵(lì)電壓幅值；△CX—傳感器的電容變化量。

由（11—4）式可看出：f、△E一定時(shí)，輸出平均電流i與△CX成正比，此輸出平均電流i經(jīng)電路中的電感L2、電容C6濾波變?yōu)橹绷鱅輸出，再經(jīng)Rw轉(zhuǎn)換成電壓輸出Vo1＝I Rw。由傳感器原理已知?C與?X位移成正比，所以通過測(cè)量電路的輸出電壓Vo1可知?X位移。

2、 電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)原理方塊圖如圖11—4

圖11—4電容式位移傳感器實(shí)驗(yàn)方塊圖

三、需用器件與單元：

機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、電容傳感器、測(cè)微頭、主板F／V表、電容輸出口、電容變換器、差動(dòng)放大器。

四、實(shí)驗(yàn)步驟：

附：測(cè)微頭的組成與使用

測(cè)微頭組成和讀數(shù)如圖11—5所示。

圖11—5測(cè)位頭組成與讀數(shù)

測(cè)微頭組成： 測(cè)微頭由不可動(dòng)部分中的安裝套、軸套和可動(dòng)部分中的測(cè)桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。

測(cè)微頭讀數(shù)與使用：測(cè)微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線(1ｍｍ／格)，另一排是半毫米刻線(0.5ｍｍ／格)；微分筒前部圓周表面上刻有50等分的刻線(0.01ｍｍ／格)。

用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時(shí)，測(cè)桿沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測(cè)桿沿軸方向移動(dòng)微小位移0.01毫米，這也叫測(cè)微頭的分度值。

測(cè)微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對(duì)準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀1／10分度，如圖11—5甲讀數(shù)為3.678ｍｍ，不是3.178ｍｍ；遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時(shí)，應(yīng)看微分筒的示值是否過零，如圖11—5乙已過零則讀2.514ｍｍ；如圖11—5丙未過零，則不應(yīng)讀為２ｍｍ，讀數(shù)應(yīng)為1.980ｍｍ。

測(cè)微頭使用：測(cè)微頭在實(shí)驗(yàn)中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測(cè)微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動(dòng)微分筒到10ｍｍ處(為了保留測(cè)桿軸向前、后位移的余量)，再將測(cè)微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套(測(cè)微頭整體移動(dòng))使測(cè)桿與被測(cè)體連接并使被測(cè)體處于合適位置(視具體實(shí)驗(yàn)而定)時(shí)再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒時(shí)，被測(cè)體會(huì)隨測(cè)桿而位移。

1、差動(dòng)放大器調(diào)零：按圖11—6所示接線。將F／V表的量程切換開關(guān)切換到2V檔，

合上實(shí)驗(yàn)箱主電源開關(guān)，將差動(dòng)放大器的撥動(dòng)開關(guān)撥到“開”位置，將差動(dòng)放大器的增益電位器按順時(shí)針方向輕輕轉(zhuǎn)到底后再逆向回轉(zhuǎn)半圈，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。再關(guān)閉主電源。

圖11—6 差動(dòng)放大器調(diào)零接線圖

1、 電容傳感器的位移測(cè)量系統(tǒng)電路調(diào)整：

將電容傳感器安裝在機(jī)頭的靜態(tài)位移安裝架上(傳感器動(dòng)極片連接桿的標(biāo)記刻線朝上

方)并將引線插頭插入傳感器輸入插座內(nèi)，如圖11—7的機(jī)頭部分所示。再按圖11—7主板部分的接線示意圖接線，將F／V表的量程切換開關(guān)切換到20V檔，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，將電容變換器的撥動(dòng)開關(guān)撥到“開”位置并將電容變換器的增益順針方向慢慢轉(zhuǎn)到底再反方向回轉(zhuǎn)半圈。

拉出(向右慢慢拉)傳感器動(dòng)極片連接桿，使連接桿上的第二根標(biāo)記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的增益旋鈕使電壓表顯示值為1V左右；推進(jìn)(向左慢慢推) 傳感器動(dòng)極片連接桿，使連接桿上的一根標(biāo)記刻線與夾緊螺母處的端口并齊，調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的調(diào)零旋鈕(0電平遷移)使電壓表反方向顯示值為1V左右。重復(fù)這一過程，使傳感器的二條標(biāo)記刻線(傳感器的位移行程范圍)對(duì)應(yīng)于差動(dòng)放大器的輸出為±1V左右。

圖11—7電容傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)電路調(diào)整安裝、接線圖

3、安裝測(cè)微頭：

首先調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，使微分筒的0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的20mm處，再將測(cè)微頭的安

裝套插入靜態(tài)位移安裝架的測(cè)微頭安裝孔內(nèi)并使測(cè)微頭測(cè)桿與傳感器的動(dòng)極片連接桿吸合；然后移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套使傳感器連桿上的第二根標(biāo)記刻線與傳感器夾緊螺母端口并齊后擰緊測(cè)微頭安裝孔上的緊固螺釘，如圖11—8機(jī)頭部分所示。

4、傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)：

安裝好測(cè)微頭后(測(cè)微頭的微分筒0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的20mm處)，讀取電壓表顯示的電

壓值為起始點(diǎn)，再仔細(xì)慢慢順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒一圈△X=0.5mm(不能轉(zhuǎn)動(dòng)過量，否則回轉(zhuǎn)會(huì)引起機(jī)械回程差)從F／V表上讀出輸出電壓值，填入下表11，直到傳感器連桿上的一根標(biāo)記刻線與傳感器夾緊螺母端口并齊為止。

表11電容傳感器測(cè)位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11—8  測(cè)微頭的安裝圖(機(jī)頭部分所示)

5、根據(jù)表11數(shù)據(jù)作出△X—V實(shí)驗(yàn)曲線，在實(shí)驗(yàn)曲線上截取線性比較好的線段作為測(cè)量范圍并計(jì)算靈敏度S=△V／△X與線性度。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉所有電源開關(guān)。