变面积式电容传感器特性实验

变面积式电容传感器特性实验

一、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、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。

图7-1 电容式传感器实验电路框图

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。

图7-2 电容转换电路原理图

图7-3 二极管环形电桥原理图

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

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？