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淺談變面積式電容傳感器的基本特性實驗
一、實驗目的
1、了解變面積式電容傳感器的基本結構。
2、掌握變面積式電容及二極管環形電橋的工作原理。
3、掌握變面積式電容傳感器的調試方法。
二、實驗所用單元
電容式傳感器、電容式傳感器轉換電路板、差動放大器板、直流穩壓電源、數字電壓表、位移臺架。
三、實驗原理及電路
1、實驗電路框圖如圖7-1所示。電容的變化通過電容轉換電路轉換成電壓信號，經過差動放大器放大后，用數字電壓表顯示出來。
圖7-1 電容式傳感器實驗電路框圖
2、圖7-1中的電容轉換電路圖如圖7-2所示。圖中的信號發生器用于產生方波信號。電容轉換由二極管環形電橋完成，二極管環電橋工作原理如圖7-3所示。
固定頻率的方波脈沖由A點輸入，在方波的上升沿，C0被充電，充電途徑是VD3→C0；與此同時，Cx1也被充電，其充電途徑是C9→VD5→Cx1。在方波的下降沿，C0和Cx1都放電，C0的放電途徑是C0→VD4→C9；Cx1的放電途徑是Cx1→VD6。由于C9在一個周期內的充電和放電平均電流分別為：IU＝fVPCx1和ID＝fVPC0，式中f是脈沖頻率，VP為方波峰值電壓，因此AB間的平均電流I＝ID－IU＝fVP(C0-Cx1)。從該式中可以看出電容的變化與AB間的電路成正比。
在圖7-2中，增加了L1、L2、C10和R6。L1和L2對高頻方波的阻抗很大，而直流電阻很小，與R6一起形成了A、B間的直流通路，使充放電流的直流分量得以通過。C10用作濾波。這樣在R6兩端就有與電容變化量成正比的直流電壓輸出。
圖7-2 電容轉換電路原理圖
圖7-3 二極管環形電橋原理圖
四、實驗步驟
1、固定好位移臺架，將電容式傳感器置于位移臺架上，調節測微器使其指示15mm左右。將測微器裝入位移臺架上部的開口處，再將測微器測桿與電容式傳感器動極旋緊。然后調節兩個滾花螺母，使電容式傳感器的動極上表面與靜極上表面基本平齊，且靜極能上下輕松滑動，這時將兩個滾花螺母旋緊。
2、差動放大器調零（參見實驗一）。
3、按圖7-2接線，將可變電容Cx1與固定電容C0接到實驗板上，位移臺架的接地孔與轉換電路板的地線相連。
4、接通電源，調節測微器使輸出電壓UO接近零，然后上移或下移測微器1mm，調節差動放大器增益，使輸出電壓的值為200～400mV左右，再回調測微器，使輸出電壓為0mV，并以此為系統零位，分別上旋和下旋測微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，將位移量X與對應的輸出電壓UO記入下表中。
表 7-1
X(mm) | 0 | ||||||||||
UO(mV) | 0 |
五、實驗報告
1、根據表7-1，畫出輸入/輸出特性曲線
，并且計算靈敏度和非線性誤差。
2、本實驗的靈敏度和線性度取決于哪些因素？