差動變面積式傳感器：差動變面積式電容傳感器的特性測試.doc

江西理工大學(xué)
《 機械工程測試技術(shù) 》課程實驗指導(dǎo)書
主審人：            主撰人：馮梅琳
前言
《機械工程測試技術(shù)》是機械設(shè)計制造及其自動化等專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程具有較強的實踐性。要想使學(xué)生學(xué)好這門課程，必須將課堂理論教學(xué)和實驗教學(xué)有機地結(jié)合起來。通過實驗課的學(xué)習(xí)，力圖使學(xué)生加深對本課程的基礎(chǔ)理論、基本概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和興趣，增強學(xué)生對各種不同的傳感器如何組成測試系統(tǒng)有直觀而具體的感性認(rèn)識，并能根據(jù)不同的物理量合理地選擇測試裝置，同時在實驗的進行過程中通過信號的拾取、轉(zhuǎn)換、分析，掌握作為一個科技工作者應(yīng)具有的基本操作技能、獨立思考問題的能力、綜合運用知識的能力，為以后進一步學(xué)習(xí)、研究和處理機械工程技術(shù)問題打下良好的基礎(chǔ)。
本實驗指導(dǎo)書是配合教材《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》（第三版）內(nèi)容、南京安正振動測試系統(tǒng)、美國本特利轉(zhuǎn)子試驗平臺和浙江大學(xué)杭州高聯(lián)有限公司生產(chǎn)的“CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀”，并根據(jù)該課程實驗大綱而編寫的。要求學(xué)生從思想上重視實驗，認(rèn)真做好每一次實驗。
為了保證實驗課的順利進行，按時完成實驗內(nèi)容，保證教學(xué)質(zhì)量，要求學(xué)生做到以下幾點：
1、實驗前認(rèn)真學(xué)習(xí)、閱讀實驗指導(dǎo)書及教材中的有關(guān)內(nèi)容，并在實驗室里對實驗所用傳感器與儀器進行操作練習(xí)，了解傳感器與儀器的使用方法，操作規(guī)程以及使用就意事項，根據(jù)實驗的要求和目的以及所提供的儀器設(shè)備，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨立認(rèn)真地自行操作，并獲取實驗數(shù)據(jù)，進一步進行分析處理，完成實驗報告。
2、愛護儀器設(shè)備，節(jié)約實驗材料，非經(jīng)指導(dǎo)老師準(zhǔn)許不要動用與當(dāng)次實驗無關(guān)的儀器設(shè)備。如遇儀器損壞，必須及時向指導(dǎo)教師報告。
3、遵守實驗規(guī)則，進實驗室不要大聲喧嘩，注意安全，嚴(yán)防觸電、烙傷、碰傷。
4、實驗完畢，將儀器、電線、元件等整理好，放回原處方能離開實驗室。
5、必須按時完成實驗報告。無正當(dāng)理由拖延、不交實驗報告，按不及格計入平時成績。
目錄
第一部分   緒論 3
第二部分   基本實驗指導(dǎo) 5
1   機械參數(shù)綜合測試系統(tǒng)的組成 5
2   典型信號頻譜分析 8
3   電阻應(yīng)變式傳感器的制作 11
4   金屬箔式應(yīng)變片與三種測量橋路的比較 14
5   螺管型差動變壓器式電感傳感器的性能與位移測量 18
6   差動變面積式電容傳感器的特性測試 21
7   電渦流式傳感器的靜態(tài)標(biāo)定 23
第一部分   緒論
本實驗指導(dǎo)書是根據(jù)《機械工程測試技術(shù)》課程實驗教學(xué)大綱編寫，適用于機械類各專業(yè)。
本課程實驗的作用與任務(wù)
《機械工程測試技術(shù)》是機械設(shè)計制造及其自動化等專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程具有較強的實踐性。通過本實驗課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生加深對測試技術(shù)的感性認(rèn)識，并能合理地選用測試裝置，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、獨立思考問題的能力以及綜合運用知識的能力，為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)、研究和處理機械工程技術(shù)問題打下良好的基礎(chǔ)。本實驗課程基本要求如下：
1、了解測試系統(tǒng)的基本組成，掌握各組成環(huán)節(jié)的工作原理和作用。
2、了解測試和評價測試系統(tǒng)靜、動態(tài)特性的方法。
3、掌握常用傳感器的工作原理、性能、基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，以及定標(biāo)與數(shù)據(jù)處理方法。
4、掌握常用信號調(diào)理電路和記錄儀器的工作原理和性能。
5、了解信號分析的基本知識。
6、掌握應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、振動、噪聲等常見物理量的測試方法。
本課程實驗的基礎(chǔ)知識
1、機械參數(shù)綜合測試系統(tǒng)的組成：典型測試系統(tǒng)的基本組成及常用記錄儀器的工作原理和性能；計算機測試系統(tǒng)的組成；以等強度懸臂梁作為對象對其振動狀態(tài)（速度、加速度、振幅、轉(zhuǎn)速等）的測試和分析；常用傳感器的工作原理、性能、基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用；DRVI虛擬儀器的組成及應(yīng)用等。
2、典型信號及其頻譜的識別與變換：以等強度懸臂梁作為對象，采用力錘進行激勵，對其振動狀態(tài)速度、加速度進行測試和分析；以信號發(fā)生器作為對象，采用數(shù)據(jù)采集箱獲取各類波形；以轉(zhuǎn)子試驗臺作為對象，對其振動狀態(tài)（速度、加速度、振幅、轉(zhuǎn)速等）的測試和分析。以上均采用典型的CRAS軟件進行數(shù)據(jù)采集并對其各階模態(tài)進行分析處理；
3、電阻應(yīng)變式傳感器的制作：電阻應(yīng)變片的認(rèn)識和粘貼工藝及方法、不同的布片組橋方法對電橋輸出的影響。
4、金屬箔式應(yīng)變與三種測量橋路的比較：單臂、半橋、全橋的組橋連接方法，輸出電壓和電壓靈敏度之間的關(guān)系。
5、螺管型差動變壓器式電感傳感器的性能與位移測量：差動變壓器式電感傳感器的工作原理及其性能，零點殘余電壓產(chǎn)生的原因及補償方法，相敏檢波電路的功能，采用該傳感器對位移進行測量的方法。
6、差動變面積式電容傳感器的特性測試：差動變面積式電容傳感器的工作原理及其性能，采用該傳感器對位移進行測量的方法。
7、電渦流傳感器特性及被測材料對其特性的影響：電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、工作特性，不同材料（鋁

差動變面積式傳感器：差動變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動態(tài)特性(自檢實驗五).doc

實 驗 報 告
實驗項目名稱：  差動變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動態(tài)特性       同組人

試驗時間    年   月   日，星期  ，  節(jié)   實驗室 K2，508傳感器實驗室  指導(dǎo)教師  高海洲 一、實驗?zāi)康?br/>了解差動變面積式電容傳感器的原理及其特性。
二、實驗原理
電容式傳感器是將位移、壓力、振動點轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器。電容式傳感器的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成，電極之間以空氣為價值的電容器。電容式傳感器有多種形式，本試驗儀中用的是差動變面積式。傳感器由兩組定片和一組動片組成。當(dāng)安裝與振動態(tài)的動片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)的變化，成為差動電容。如將上層定片與動片形成的電容定位C×1，下層定片與動片形成的電容定為C×2，當(dāng)將C×1和 C×2接入橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動臺的位移有關(guān)。
三、所需單元及部件
電容傳感器、電壓放大器、低通濾波器、F/V表、激振器、示波器。
有關(guān)旋鈕的初始位置：差動放大器增益旋鈕置于中間，F(xiàn)/V表置于2V檔。
1、STIM-01模塊、STIM-08模塊、STIM-09模塊、電容傳感器。
2、±15V電源、萬用表。
3、電子連線若干。

四、實驗步驟
（1）按圖四接線。

圖四. 電容式傳感器位移實驗接線圖

（2）F/V表打到20V檔，調(diào)節(jié)測微頭，使輸出為零。
（3）轉(zhuǎn)動測微頭，每次0.5mm，記下此時測微頭的讀數(shù)及電壓表的讀數(shù)，直至電容動片與上（或下）定片覆蓋面積最大為止。填入表1
位移（mm）
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.5
1
1.5
2.0
2.5

電壓（mv）

（4）計算系統(tǒng)靈敏度S。S=△V/△X（式中△V為電壓變化，△X為相應(yīng)的梁端位移變化），并用坐標(biāo)紙作出V—X關(guān)系曲線。
（5）卸下測微頭，斷開電壓表，接通激振器，用示波器觀察輸出波形并記錄。五、X-V曲線

六、實驗小結(jié)

指導(dǎo)教師批閱及成績

指導(dǎo)教師簽名：
  年    月     日

0-2V
電壓表

差動變面積式傳感器：差動變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動態(tài)特性(自檢實驗五)

實驗報告
實驗項目名稱：差動變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動態(tài)特性同組人
試驗時間年月日，星期，節(jié)實驗室K2，508傳感器實驗室指導(dǎo)教師高海洲一、實驗?zāi)康?br/>了解差動變面積式電容傳感器的原理及其特性。
二、實驗原理
電容式傳感器是將位移、壓力、振動點轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器。電容式傳感器的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成，電極之間以空氣為價值的電容器。電容式傳感器有多種形式，本試驗儀中用的是差動變面積式。傳感器由兩組定片和一組動片組成。當(dāng)安裝與振動態(tài)的動片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)的變化，成為差動電容。如將上層定片與動片形成的電容定位C×1，下層定片與動片形成的電容定為C×2，當(dāng)將C×1和C×2接入橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動臺的位移有關(guān)。
三、所需單元及部件
電容傳感器、電壓放大器、低通濾波器、F/V表、激振器、示波器。
有關(guān)旋鈕的初始位置：差動放大器增益旋鈕置于中間，F(xiàn)/V表置于2V檔。
1、STIM-01模塊、STIM-08模塊、STIM-09模塊、電容傳感器。
2、±15V電源、萬用表。
3、電子連線若干。
四、實驗步驟
（1）按圖四接線。
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差動變面積式傳感器：差動式和變面積式兩種電容傳感器的優(yōu)劣

無法比較。
面積式電容式傳感器：是指利用構(gòu)成電容的三個參數(shù)（極板面積、極板距離、介電常數(shù)）固定其中的兩個參數(shù)（如：極板距離和介電常數(shù)），另一個（如極：板面積）隨被測參數(shù)發(fā)生變化，此時電容容量隨隨被測參數(shù)發(fā)生變化，并由此反映被測量變化；
差動式電容式傳感器：是指同時制作兩個相同原理和結(jié)構(gòu)，并相互關(guān)聯(lián)的電容，當(dāng)被測參數(shù)變化時，使兩個電容的容量朝相反方向發(fā)生變化。這時：可以利用兩個電容受外界影響時變化一致的特點來消除外界干擾（共模抑制），利用兩個電容相同的非線性對信號進行線性化（非線性疊加），同時可以利用兩個電容變化方向的不同，擴大信號敏感程度。
所以說。差動式是電容式傳感器的一種結(jié)構(gòu)，面積式是電容式傳感器的一種測量原理，兩者無法比較。
可以有差動變面積式電容傳感器。