传感器与检测技术实验箱变面积式电容传感器特性实验

    传感器与检测技术实验箱变面积式电容传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。最常用的是平行板型电容器或圆筒型电容器。 一、变面积式电容传感器实验目的
1、了解变面积式电容传感器的基本结构。
2、掌握变面积式电容及二极管环形电桥的工作原理。
3、掌握变面积式电容传感器的调试方法。
二、实验所用单元
    电容式传感器、电容式传感器转换电路板、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、变面积式电容传感器实验原理及电路
1、实验电路框图如图7-1所示。电容的变化通过电容转换电路转换成电压信号，经过差动放大器放大后，用数字电压表显示出来。 2、图7-1中的电容转换电路图如图7-2所示。图中的信号发生器用于产生方波信号。电容转换由二极管环形电桥完成，二极管环电桥工作原理如图7-3所示。
    固定频率的方波脉冲由A点输入，在方波的上升沿，C₀被充电，充电途径是VD₃→C₀；与此同时，Cx₁也被充电，其充电途径是C₉→VD₅→Cx₁。在方波的下降沿，C₀和Cx₁都放电，C₀的放电途径是C₀→VD₄→C₉；Cx₁的放电途径是Cx₁→VD₆。由于C₉在一个周期内的充电和放电平均电流分别为：I_U＝fV_PCx₁和I_D＝fV_PC₀，式中f是脉冲频率，V_P为方波峰值电压，因此AB间的平均电流I＝I_D－I_U＝fV_P(C₀-Cx₁)。从该式中可以看出电容的变化与AB间的电路成正比。
在图7-2中，增加了L₁、L₂、C₁₀和R₆。L₁和L₂对高频方波的阻抗很大，而直流电阻很小，与R₆一起形成了A、B间的直流通路，使充放电流的直流分量得以通过。C₁₀用作滤波。这样在R₆两端就有与电容变化量成正比的直流电压输出。 四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电容式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，再将测微器测杆与电容式传感器动极旋紧。然后调节两个滚花螺母，使电容式传感器的动极上表面与静极上表面基本平齐，且静极能上下轻松滑动，这时将两个滚花螺母旋紧。
2、差动放大器调零（参见实验一）。
3、按图7-2接线，将可变电容Cx₁与固定电容C₀接到实验板上，位移台架的接地孔与转换电路板的地线相连。
4、接通电源，调节测微器使输出电压U_O接近零，然后上移或下移测微器1mm，调节差动放大器增益，使输出电压的值为200～400mV左右，再回调测微器，使输出电压为0mV，并以此为系统零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X与对应的输出电压U_O记入下表中。
表 7-1

X(mm)						0
UO(mV)						0

五、实验报告
1、根据表7-1，画出输入/输出特性曲线，并且计算灵敏度和非线性误差。
2、本实验的灵敏度和线性度取决于哪些因素？

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