实验三传感器特性试验：.doc

实验三传感器特性试验：
（一） 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、知识要点：
电容式传感器，实质上是一个具有：可变参数的电容器。
中间充满介质的两块平行金属极板构成的电容器，其电容量为：
（4-8）
式中：e—介质相对真空的介电常数，空气中e»1；e0—真空的介电常数，e0=8.85´10-12F/m；d—极板间距；A：遮盖 极板面积。
当被测量的电容若使d、A或e发生变化时，都会引起电容量 C的变化。实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不同，可分为三类： 改变极板间距d 的极距变化型、改变极板相互遮盖面积A 的面积变化型、改变极板间介质e 的介质变化型（改变e）。
本实验是最常用的面积变化型 ；即：改变极板相互遮盖面积的，面积变化型
三、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。
四、实验原理及电路
1、实验电路框图如图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1 电容式传感器实验电路框图
2、图1中的电容转换电路图如图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3所示。
固定频率的方波脉冲由A点输入，在方波的上升过程，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：IU＝fVPCx1和ID＝fVPC0，式中f是脉冲频率，VP为方波峰值电压，因此AB间的平均电流I＝ID－IU＝fVP(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2中，增加了L1、L2、C10和R6 ；L1和L2对高频方波的阻抗很大，而对于直流来说电阻很小，与R6一起形成了AB间的直流通路，从而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2 电容转换电路原理图

图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12mm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UO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UO记入下表中。
表 1
X(mm)

0

UO(mV)

0

五、实验报告
1、根据表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？

（二） 差动变压器的特性实验
一、实验目的
1、了解差动变压器的基本结构。
2、掌握差动变压器及整流电路的工作原理。
3、掌握差动变压器的调试方法。
二、工作原理及实验电路
1、差动变压器的工作原理类似变压器的工作原理。它主要包括有：衔铁、一次绕组和二次绕组等组成。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，其输出电势反映出铁芯的位移量，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
2、差动变压器实验电路图如图1所示。

图1差动变压器实验电路图
传感器的两个次级线圈(N2、N3)电压分别经UR1、UR2两组桥式整流电路变换为直流电压，然后相减，经过差动放大器放大后，由电压表显示出来。R1、R2为两桥臂电阻，RP1为调零电位器，R3、R4、C1组成滤波电路，R5为负载电阻，采用这种差动整流电路可以减少零点残余电压。
三、实验所用单元
电感式传感器、电感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。

四、实验步骤
1、固定好位移台架，将电感式传感器置于位移台架上。调节测微器使其指示12mm左右，将测微器装入台架上部的开口处，再将测微器的测杆与电感式传感器的可动铁芯旋紧。然后调节两个滚花螺母，使铁芯离开底面10mm，注意要使铁芯能在传感器中轻松滑动，再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1将信号源的两输出端A、B接到传感器的初级线圈N1上，传感器次级线圈N2、N3分别接到转换电路板的C、D与H、I上，并将F与L用导线连接，将差动放大器与数字电压表连接好。这样构成差动变压器实验电路。
4、接通电源，调节信号源输出幅度电位器RP2到较大位置，平衡电位器RP1处于中间位置，调节测微器使输出电压接近零，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300mV左右，再回调测微器使输出电压为0mV。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和对应的输出电压UO记入下表。
表 1
X(mm)

0

UO(mV)

0

五、实验报告
1、根据表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、分析为什么采用差动整流电路可以减少零点残余电压？