感测实验报告

实验五电容式传感器的位移特性实验一、实验目的掌握电容式传感器结构及其特点。二、基本原理利用平板电容dSC/和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：12ln2rrlC○1式中，l为外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；12rr、分别为外圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动l时，电容变化量C为llCllllCrrrrrr0121212ln2ln2ln2○2于是，可得其静态灵敏度为：121212ln4/ln2ln2rrrrrrgllllllCk○3可见灵敏度与，12rr有关，12rr与越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关，但l不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。电容传感器位移实验电路如图5-1所示，555时基集成电路组成方波信号产生电路，CX1、CX2是电容传感器的两个差动电容，四臂二极管桥路实现把两个差动电容器电容量的变化转换成电压变化，经过RW调节和放大后输出。三、需用器件与单元电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。四、实验步骤及注意事项1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头用标记电容的专用电缆插入实验模板的插座中，±15V地与放大器的地线相连，如图5-1。图5-1电容传感器位移实验接线图2、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。3、接入±15V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，初始位置为内园筒在中间位置，这时输出电压最小，0oV时线性较好。每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表5-1。测微头刻度变化1代表位移10μm。4、注意事项：（1）传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。（2）做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。表5－1电容传感器位移与输出电压值记录表（数字电压表选20V量程，下表数据已换算）X(mm)0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0U(v)0.040.060.080.100.120.150.170.200.220.24五、数据处理1、根据表5－1数据，画出传感器的拟合曲线，如下图所示2、根据拟合直线，计算灵敏度S=（240-40）mv/（2.0-0.2）mm=111.11（mv/mm）3、计算非线性误差将图放大后易知，非线性误差应用（1，0.12）这个点求。δ==0.0275=2.75%六、思考题电容式传感器可分成哪三种类型，实验中使用的电容传感器是哪一类？答：根据公式dSC/知道，影响C的因素有三个，由此将电容分为三种，即变介电常数型、变面积型、变极距型，实验中用到的是变极距型电容式传感器。实验六直流激励时霍尔传感器位移特性实验一、实验目的掌握霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势IBKUHH，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为kxUH，式中k为位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示磁场的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。三、需用器件与单元霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V直流电源、测微头、数显单元。四、实验步骤及注意事项1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头用标记霍尔的专用电缆插入实验模板的插座中，±15V地与放大器的地线相连，实验板的连接线按图6-1进行。2、开启电源，将RW1大约旋到中间位置，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，这时磁场最弱，产生霍尔电势最小，使数字电压表指示为零。图6-1直流激励时霍尔传感器位移实验接线图3、测微头往轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，将读数填入表6-1。测微头刻度变化1代表位移10μm。4、注意事项：（1）对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。（2）不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V，否则将可能烧毁霍尔元件。表6－1霍尔传感器位移与输出电压值记录表X(mm)0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0U(V)0.130.280.400.520.640.720.780.810.840.86五、实验数据处理1、根据表6－1数据，画出传感器的拟合曲线，如下图所示2、根据拟合直线，计算灵敏度S=（860-130）mv/（2.0-0.2）mm=405.6（mv/mm）3、计算非线性误差非线性误差的计算用（2,0.86）进行计算得：δ==0.1203=12.03%所以，非线性误差为12.03%。六、思考题本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？答：由霍尔传感器的工作原理KIBU知，霍尔元件实际感应的是所在位置的磁场强度B的大小。实验中，霍尔元件的线性实际上反映了空间磁场的线性分布，揭示了元件测量处磁场的线性分布。