实训1 传感器应用实训
1.1 电容式传感器应用实训
1.1.1 实训目的
1. 掌握电容式传感器的结构、工作原理及特点；
2. 掌握电容式传感器的使用方法；
3. 了解电容式传感器测量位移的基本原理。
1.1.2 相关知识
1. 电容式传感器的结构和工作原理
电容式传感器利用不同类型的电容器作为传感元件，将非电容量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。根据电学知识可知，由两平行金属极板，中间夹一层电介质可组成电容器，其电容量C为：
式中
ε——极板间介质介电常数；
A——极板面积；
d——极板间的距离。
由式（1.1）可见，若ε、A、d三个参数中任何一个发生变化时，电容量就要随之发生变化。通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化。因此电容式传感器分为3种类型，即变极距型、变面积型和变介电常数型。
（1）变极距型电容式传感器。
它的基本原理是：当被测物发生位移时，带动可动极板移动，使可动极板与定极板之间的极板间距随之发生变化，在极板面积A和介质介电常数ε不变的情况下，会引起电容量发生改变，如图1.1所示。电容式传感器常采用差动变极距式结构，如图1.2所示，其结构的上下为定极板，中间为动极板。测量时，动极板向上或向下垂直移动，会引起两个电容器容量的差动变化，即其中一个电容量增加，另一个电容量相对减少。采用差动形式后可以提高测量的灵敏度，减小非线性误差。
图1.1 变极距型电容式传感器原理图
1—定极板；2—动极板
图1.2 差动变极距型电容式传感器示意图
1、3—动极板；2—定极板
（2）变面积型电容式传感器。
它的原理是：当定极板不动时，被测物带动动极板产生移动，使两极板的相对面积A发生改变，从而引起电容器电容量的变化，如图1.3所示。
图1.3 变面积型电容式传感器结构原理图
（3）变介电常数型电容式传感器。
变介电常数型电容式传感器是利用电容器中间介质的介电常数改变，从而影响电容器的电容量的原理，通过改变不同的介质来实现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化反映出来，如图1.4所示。
图1.4 变介电常数型电容式传感器结构原理图
变极距型电容式传感器一般用来测量微小线位移；变面积型电容式传感器一般用于测量角位移或较大的线位移；变介电常数型电容式传感器主要用于液体或固体的物位测量以及各种介质湿度、密度的测定。
2. 电容式传感器的测量电路
当电容式传感器把被测量转换成电容变化量后，还需要经过一定的测量转换电路将其转换成电压、电流或频率信号。常用的测量转换电路种类很多，有电桥式测量电路、运算放大器测量电路、调频电路、二极管环形检波电路、脉宽调制电路等。
（1）电桥式测量电路。
分成单臂式接法和差动式接法，如图1.5所示。
图1.5 电桥式测量电路
在单臂式接法中，电容器C1、C2、C3、CX构成电桥的四臂，其中CX 是电容式传感器。当电桥平衡时，
输出电压 
=0；当CX改变时， ≠0，有电压信号输出。
在差动式接法中，输出电压为
差动电容式传感器的输出电压需要经过相敏检波电路处理才能分辨相位。
（2）调频电路。
将电容式传感器接入高频振荡器，作为高频振荡器谐振回路的一部分，当被测量使传感器的电容发生变化时，振荡频率也相应变化，故称为调频电路。调频振荡器的振荡频率为：
式中
L——振荡回路的电感量；
C——振荡回路总电容。
调频电路具有较高的灵敏度，信号的输出频率容易用仪器测量，并可与计算机直接通信。
（3）脉冲宽度调制电路。
脉冲宽度调制电路利用对传感器电容进行充放电，使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化，脉冲宽度调制电路经低通滤波器可得到对应被测量变化的直流信号。
脉冲宽度调制电路稳定性高，不需要稳频和高波形纯度，也不需要相敏检波与解调电路，对元件无特殊的要求，能适用于任何差动式电容传感器。
1.1.3 实训要求
1. 复习电容式传感器的有关内容，了解电容式传感器的性能特点和基本原理。
2. 预习关于这个实训的相关内容，弄清原理，掌握操作要求和规范。
3. 完成所有实训内容，写出实训报告。
1.1.4 实训设备
电容式传感器一个、电容式传感器实训模板一块、测微头一个、相敏检波板一块、滤波模板一块、数显表单元一个、直流稳压电源一个。
1.1.5 实训内容及步骤
1. 按电容式传感器实训台安装示意图（如图1.6所示），将电容式传感器装在电容式传感器实训模板上。
图1.6 电容式传感器实训台安装示意图
2. 按电容式传感器实训接线图（如图1.7所示），把电容式传感器引线接到实训模板的端子上，应注意，要使传感器电容CX1和CX2接线正确，动极板须接地，否则动极板左右移动时没有正、负电压输出。
图1.7 电容式传感器位移实训接线图
接线方法：CX1和CX2的两个静片接线分接电容式传感器实训模板的1号和2号端子，动极板连接3号端子。
3. 将电容式传感器实训模板的输出端UO1与数显单元UI 相接，把电位器RP调节到中间位置。
4. 接入±15V电源，转动测微头，移动电容式传感器动极板的位置，每间隔0.2mm记下位移与输出电压值，填入实训数据记录表，根据表中数据画出曲线图。
1.1.6 实训报告
1. 根据测量的数据填写实训数据记录表，其格式如表1.1所示，根据表中内容画出输出电压与位移的曲线表。
表1.1 实训数据记录表
2. 试分析实际测试结果与理论预测存在差距的可能原因。
3. 如何进一步提高电容式传感器的性能？