电容式传感器的位移特性实验

1、华南师范大学实验报告 实验项 I：电容式传感器的位移特性实验 了解电容式传感器结构及其特点 二.基本原理 利用平板电容 C= S/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路 可以选择、S、d 中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数, 则可以有测谷物干燥度（变）测微小位移（变 d）和测量液位（变 S）等多种 电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敬感，测量精度受到 影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系, （但实际山于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题 仍然存在，且灵敬度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最

2、常用的结构， 其中线位移单组式的电容量 C 在忽略边缘效应时为: 厂_ 2庇I 式中/外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度; H外圆筒内半径和内圆柱外半径。 肖两圆筒相对移动/时，电容变化量 AC 为 、厂_ 2 亦/ 2 亦(/一/)_ 2 亦/_ 广 A/ ln(%) 7 于是，可得其静态灵敏度为: 可见灵敬度与，有关，心与竹越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度实验目的 (2) A/ (3) 2 頑/ + /) 眦) 4 亦 /与灵敬度无关，但/不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。 本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极 距变化对测量精度的影响，并且

3、可以减小非线性误差和增加传感器的灵敬度。 三.需要器件和单元 电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。 1、 将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实 验模板的插座中。 2、 将电容传感器实验模板的输出端 Vol与数显单元 Vi 相接（插入主控箱 Vi 孔）Rw调节到中间位置。 3、接入土 15V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔 02mm 记下位移 X与输出电压值，填入表 8-1。 表 8-1 电容传感器位移与输出电压值 X(mm) V(mv) 4、根据表 8-1 数据计算电容传感器的系统灵敬度 S 和非线性误差岛 o 五、实验注意事

4、项 1、传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。 2、做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。 四. 实验内容及步骤 50pFL 图 81 电容传感器位移实验接线图 六、思考题 1、简述什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。 答：（1）对于平行板型电容器，理想平行板电容器的电场线是直线的，但实 际情况中，在靠近边缘的地方会变弯，越靠边就越弯得厉害，到边缘时弯 的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。 （2）可能会使得电容式传感器的输出阻抗变得更大； 使得寄生电容产 生的影响变大；也有可能使得输出特性的非线性变得更加不好； 2、电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点?

5、答：（1）优点： 输入能量小，灵敬度高； 动态特性好； 结构简单，环境适应性好； （2）缺点： 非线性较大； 受外界电容影响大； 输出阻抗大，负载能力差； 七、实验报告要求 1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最 小二乘法做出拟合直线，讣算该传感器得非线性误差。 实验数据如下： 表 8-2 电容传感器位移与输出电压值 X(mm) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 V(mv) 119.0 94.6 67.9 44.8 19.9 -4.6 -29.2 -51.3 -75.6 -9&7 V-X曲线如下: V-X曲线 X

6、/mm 以上曲线是本着出于方便，利用 Excel软件直接生成的，下面将利用最小二 乘法拟合更加符合实验数据处理的 vx 曲线。 在这里，直接利用最小二乘法的结论：V=a + bX.其中 K K K K i=l i=l i=l (心K茁 /=! /=! K K K u 1=1 Z=1 i= D _ K K (OF-K2 /=1 i= 计算 S b (利用表&2 数据) K 工 X,= 0.2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6+1.8+2.0= 11 10 工 XM = 0.2* 119+04*94.6+0.6*67.9+0.8*44.8+1.0* 19.9+1.2*

7、 (46) +1.4* (-29.2) r-l +1.6* (-51.3) +1.8* (-75.6) +2.0* (-98.7) =-303.84 10 工匕=119+94.6+67.9+44.8+19.9-4.6-29.2-51.3-75.6-98.7=86.8 r- 10 工 X： = 0.22 + 0.42 + 0.62 + 0.82 +1.02 +1.22 +1 A2 +1.6, +1.82 + 2.02 =15.4 r-l ；11*86.8-10*(-303.84) 小小 b = - 121.01 11- -10*15.4 即得 VX拟合曲线，U=_12101X+ 141.79 误

8、差分析： 把 X 的值分别代入式 V = -121.01%+ 141.79,可得: 叫=1.412； 匕=1.304； AV3 = -1.284 ； AV； = -0.182 : AV5 = -0.88 : AV6 =-1； AV7 =-1.576： 匕=0.526； =0.428； AV1() =1.53o (单位均 为mv) 可得，线性度(非线性)为 = Ln Lxl00%= AV? X100% = - x 100% = 0.724% VFS -V10 117.288 -(-100.23) 2、根据实验结果，分析引起这些非线性的原因，并说明怎样提高传感器的 线性度。 答：本实验为变面积式电容传感器，釆用差动式圆柱形结构，经分析实验数据， 可得：引起这些非线性的原因可能有：受边缘效应的影响，引起极板间的电场分 布不均匀；温度漂移；肉眼读取的位移值 X 存