传感器技术实验指导书(4)

实验四 电容式传感器的特性

实验项目性质：普通实验 所属课程名称：传感器技术 实验计划学时：2学时 一、 实验目的

1、掌握电容式传感器的工作原理及结构类型。 2、掌握电容传感器特性的实验测试方法。 3、了解电容式传感器的工程应用。 二、 实验内容和要求

1、观察传感器综合实验仪上电容式传感器的结构型式。 2、了解电容变换器的转换原理（参见附录二）。 3、电容式传感器静特性测试。 4、电容式传感器动态测试。 三、 实验主要仪器设备和材料 1、CYS型传感器系统综合实验仪

本次实验所用模块包括：①电容式传感器；②电容变换器；③差动放大器；④低通滤波器；⑤低频振荡器；⑥测微头。⑦毫伏表或数字电压表。 2、双线示波器及实验连接导线若干。 四、 实验原理及步骤 一）实验原理

根据两金属极板间电容的计算式C＝εS／δ，可知电容式传感器有三种型式。本实验仪器中为差动变面积型，电容传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组定片之间的

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重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为两差动式电容。若将上层定片与动片形成的电容设为CX1，下层定片与动片形成的电容设为CX2，当将CX1和CX2接入交流电桥作为相邻两臂（或将两差动电容接入其它转换电路）时，则电路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。

电容式传感器的实验原理框图如下： 电容变换器低 通Cx1Cx2差放电压表 图2 电容传感器实验原理框图 二）实验步骤 1、相关仪表和电路调零

差动放大器调零时请先将放大器的增益调至适中。 2、电容传感器静态特性测试

①按图2原理接线。将电容变换器的增益调至适中。电容变换器的转换原理图详见附录二。

②旋动测微头，使测微头与振动台接触，并带动振动台移动。当电容动片位于两电容定片对称位置时，此时差动放大器输出应为零。

③以此为起点，向上或向下每次0.5mm（测微头旋转一圈）移动动片，直至动片与一组定片全部重合为止。记录数据于表4-1。

表4-1 位移x(mm) 电压V (mv)

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④以相反方向逐步旋转测微头至初始位置，用与③相同方法，记下x (mm)及V (mv)于表4-2。 表4-2 位移x(mm) 电压V (mv) 3、电容传感器动态特性观测

①将测微头退回到最高处，并断开V/F表连线；

②接通激振器I（有些实验仪是激振器II），用双线示波器观察低通和差放输出波形，并记录波形。

③改变激振器I频率，重复观测，注意波形的变化。 注意事项

? 电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍作调整。位移

和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。

? 如果用示波器观察到差动放大器输出端波形中有杂波，请将电容变换

器增益进一步减少。 五、 实验报告要求

1、实验报告格式严格按广东工业大学有关规定要求；

2、在理解基础上简单扼要地书写实验原理、实验方法和步骤； 3、根据实验数据，在坐标纸上绘出电容传感器定度曲线。并按某一规则作出拟合直线，依此分析计算传感器系统的灵敏度、线性度和回程误差等特性指标。

4、在动态测试过程中，观察到的现象、变化的规律给出相应的解释。

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1、 附录一 CYS型传感器系统综合实验仪使用指南

CYS型传感器系统综合实验仪，是用于测控技术与仪器、机械电子工程、电子技术应用等相关专业课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励源、信号处理电路和显示仪表于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书提供的数种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本实验仪器上举一反三开发出新的实验内容。

综合实验仪外型结构参见下图图片，主要由传感器实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。

附图1-1 CYS型传感器系统综合实验仪外形

一、 传感器实验工作台－－位于仪器顶部

工作台左边是一副平衡式悬臂梁，梁上装有应变片、热敏式、P－N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。

平衡梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号↑和↓表示。其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号→和←表示。片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。

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压电加速度计：位于悬臂梁右部，由PZT-5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装载透明塑料外壳中。

实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈所安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。

电感式传感器（差动变压器）：由初级线圈Li和两个次级线圈L0绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围>10mm。

电容传感器：由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3mm。

磁电式传感器：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.4V/(m/s)。

霍尔式传感器：HZ-1半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围≥3mm。

电涡流式传感器：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围≥１mm。

两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由“激振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。

以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。

实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。 两只测微头分别装在左右两边的支架上。

二、 信号及显示部分――位于仪器上部面板

低频振荡器：1~30Hz输出连续可调，ＶP-P值20V，最大输出电流0.5A，Li端插口可提供用作电流放大器。

音频振荡器：0.4KHZ~10KHz输出连续可调，VP-P值为20V，180°，0°为反相输出，Lv端最大功率输出0.5A。

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