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传感器教学设备之变面积式电容传感器特性实验

    传感器综合实验台,传感器教学设备,传感器教学仪器是根据《教育行业标准》电工实验室或电类专业实训室仪器设备配备标准,是适应不同类别与不同层次的专业,推出模块化的实训设备,传感器实验台主要用于各大、中专院校开设的自动检测技术、传感器原理与技术、非电量电测技术、工业自动化仪表与控制、机械量电则等课程的实验需要。
一、传感器教学设备性能参数:
1、实训台提供四组直流稳压电源:±5V、±15V;±2V~±10V分五挡输出,2~24V可调,具有短路保护功能。
2、低频信号发生器:1Hz-30Hz输出连续可调,Vp-p值10V,最大输出电流0.5A。
3、音频信号发生器:0.4KHz-10KHz输出连续可调,输出电压范围:0VP~10VP连续可调,最大输出电流:0.5A(有效值0.4KHz)
4、差动放大器:通频带0-10KHz,可接成同相、反相、差动结构,增益为1-150倍的直流放大器。
5、数字式电压表:三位半显示,量程±2V、±20V,输入阻抗100KΩ,精度1%。
6、数字式频率/转速表:由四只数码管,2只发光管组成,输入阻抗100KΩ,精度1%。
      频率测量范围1-9999 Hz,转速测量范围1-9999Pem。
7、温度表:0-150℃度,精度1%。
8、高精度温度控制调节仪,多种输入输出规格,具有人工智能调节以参数自整定功能。
9、机械式压力表:0-40Kpa,精度2%。
三源部分:
1、加热源:16V交流电源加热,温度控制范围0~150℃。
2、转动源:0-12V直流电源驱动,转速可调范围0~2400/分转。
3、振动源:振动频率1Hz-30Hz,共振频率12Hz左右。
数据采集卡及处理软件
        数据采集工作12位AD转换、分辨率由1/22048,采样周期1m-100ms,采样速度可选择,即可单次采样亦能连续采样。USB、RS-232接口,与计算机串行工作。提供的处理软件有良好的计算机界面,可以进行实验项目选择与编辑、数据采集、特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。
二、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。
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: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
五、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 7-1
X(mm)           0          
UO(mV)           0          
六、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?

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