用电容式传感器进行直线位移测量

一、任务目标

本任务中主要学习电容式传感器的分类、结构、工作原理，认识电容式传感器的外观及结构，会用电容式变压器测量直线位移。

二、任务分析

练习

（1）根据以前所学的电工知识，平行板电容器的电容（忽略边缘效应）为__________，从公式可以看出电容量与极板间介质的介电常数ε、两平行板所覆盖的面积A 成正比，与两极板间距离d 成反比。固定三个变量中的两个，电容就是另一个变量的单值函数，故电容式传感器可以分成________、________、________三种。

（2）本任务所用的电容式传感器是圆筒型的变面积式电容传感器，如图5-61所示，由两个外圆筒和一个内圆筒构成，采用________形式，形成两个电容器。当中间的内圆筒随被测物体移动时，内圆筒和两个外圆筒之间相覆盖的面积发生变化，导致两个电容器的电容量一个________，一个_________，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。

思考

任务中为何采用变面积式电容传感器，而不采用其他两种传感器测量直线位移？这三种传感器有何区别，分别用于哪些场合？

图5-61　差动圆筒型变面积式电容传感器

1—内圆筒；2—外圆筒；3—导轨

三、任务实施

1.认识电容式传感器及其实验模块

本任务所需的电容式传感器、电容传感器实验模块如图5-62、图5-63和图5-64所示。除了电容式传感器及其实验模块外，本任务的实施还要用到测微头、数显表、直流稳压电源和直流电压表。

图5-62　电容式传感器

图5-63　连接线

图5-64　电容传感器实验模块

2.电容式传感器测量位移工作原理

本实验采用变面积式电容传感器，由两个外圆筒和一个内圆筒构成，采用差动形式，形成两个电容器。当中间的内圆筒随被测物体移动时，内圆筒和两个外圆筒之间正对面积发生变化，导致两个电容一个增大，另一个减小，将三个圆筒用导线引出，形成差动电容输出。

3.任务实施步骤

1）安装电容式传感器和测微头。按图5-65（a）将电容式传感器安装在电容传感器模块上，将传感器连接线插入实验模块的插座上；在测微头头部安装一个绝缘护套，并用螺丝固定，最后用螺钉将测微头固定在测量架上，安装好后实物如图5-65（b）所示。

注意：测微头固定前要大致预估一下，确保与电容式传感器的连杆相连的内圆筒大致在中间位置。

2）电容式传感器测量直线位移电路接线和调零。首先将电容传感器实验模块的输出Uo接到直流电压表，然后从实验台接入±15 V 电源，合上实验台电源开关，将电容式传感器调至中间位置，调节RW 使电压表显示为0 V（电压表挡位为“200 mV”）。

图5-65　电容式传感器安装图

（a）电容式传感器模块图；（b）电容式传感器实物图

3）电容式传感器测量直线位移。旋动测微头推进电容式传感器的动极板（内圆筒），每隔0.2 mm 记下位移量X 与输出电压值Uo，并填入表5-7中。

表5-7　电容式传感器实验模块的输出电压与位移的关系(www.xing528.com)

4）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

根据表5-7数据绘制输出电压与位移关系曲线（Uo-X 曲线），如图5-66所示。

图5-66　电容式传感器Uo-X 曲线

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-8。

表5-8　电容式传感器测量直线位移评分表

四、任务拓展

电容式传感器是一种可以测量很多物理量的传感器，除了测量直线位移，还可以将其与振动源配合使用，可以测量振动源悬臂梁的共振频率，将其测量结果和压电式传感器测量的结果比较一下，看看哪一种传感器精度更高。

1.仪器设备及器材

直流稳压电源、电容式传感器、电容传感器实验模块、直流电压表、振动源、导线、连接线等。

2.电容式传感器测量振动的工作原理

将电容式传感器安装在安装支架上，并将电容式传感器中与内圆筒相连的活动杆与悬臂梁相接触。当悬臂梁振动时，带动活动杆上下移动，即带动动极板（内圆筒）上下移动，电容式传感器输出交变电压信号。悬臂梁振动幅度越大，动极板（内圆筒）上下移动距离越大，输出交变电压信号幅度越大，所以可以根据输出电压信号的幅度测得悬臂梁的共振频率。

3.实验步骤

1）安装电容式传感器。按图5-67所示将电容式传感器安装在振动源的连接板上，将传感器引线插入实验模块插座中。

2）电容式传感器测量振动电路接线和调零。将实验模块的输出Uo 接低通滤波器的输入Ui 端，低通滤波器输出Uo 接至示波器。调节RW 到最大位置（顺时针旋到底），通过“紧定旋钮” 调节连接板的高度使电容式传感器的动极板处于中间位置，Uo 输出为0 V。将实验台上的“低频输出” 信号US2接到振动台的“激励源”，振动频率选“5～15 Hz”，振动幅度初始调到零。

图5-67　电容式传感器安装图

3）电容式传感器测量振动。将实验台±15 V 的电源接入实验模块，检查接线无误后，打开实验台电源，调节振动源激励信号US2的幅度，用示波器观察实验模块输出波形。保持振荡器“低频输出” 的幅度旋钮不变，改变振动频率（用频率／转速表监测），用示波器测出Uo 输出的峰-峰值，填入表5-9中。

表5-9　电容式传感器实验模块的输出电压与振动频率的关系

根据表5-9中的数据，找到输出电压峰-峰值最大时对应的频率，此频率为该悬臂梁的共振频率，由表中数据测得振动源的共振频率为________Hz。

4）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-10。

表5-10　电容式传感器振动测量评分表