差動(dòng)變面積式傳感器：差動(dòng)變面積式電容傳感器的特性測(cè)試.doc
江西理工大學(xué)
《 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù) 》課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書
主審人： 主撰人：馮梅琳
前言
《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程具有較強(qiáng)的實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來。通過實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，力圖使學(xué)生加深對(duì)本課程的基礎(chǔ)理論、基本概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)各種不同的傳感器如何組成測(cè)試系統(tǒng)有直觀而具體的感性認(rèn)識(shí)，并能根據(jù)不同的物理量合理地選擇測(cè)試裝置，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程中通過信號(hào)的拾取、轉(zhuǎn)換、分析，掌握作為一個(gè)科技工作者應(yīng)具有的基本操作技能、獨(dú)立思考問題的能力、綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，為以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和處理機(jī)械工程技術(shù)問題打下良好的基礎(chǔ)。
本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是配合教材《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》（第三版）內(nèi)容、南京安正振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、美國(guó)本特利轉(zhuǎn)子試驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)儀”，并根據(jù)該課程實(shí)驗(yàn)大綱而編寫的。要求學(xué)生從思想上重視實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真做好每一次實(shí)驗(yàn)。
為了保證實(shí)驗(yàn)課的順利進(jìn)行，按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證教學(xué)質(zhì)量，要求學(xué)生做到以下幾點(diǎn)：
1、實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真學(xué)習(xí)、閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及教材中的有關(guān)內(nèi)容，并在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)實(shí)驗(yàn)所用傳感器與儀器進(jìn)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(xiàng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(dú)立認(rèn)真地自行操作，并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步進(jìn)行分析處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
2、愛護(hù)儀器設(shè)備，節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料，非經(jīng)指導(dǎo)老師準(zhǔn)許不要?jiǎng)佑门c當(dāng)次實(shí)驗(yàn)無關(guān)的儀器設(shè)備。如遇儀器損壞，必須及時(shí)向指導(dǎo)教師報(bào)告。
3、遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則，進(jìn)實(shí)驗(yàn)室不要大聲喧嘩，注意安全，嚴(yán)防觸電、烙傷、碰傷。
4、實(shí)驗(yàn)完畢，將儀器、電線、元件等整理好，放回原處方能離開實(shí)驗(yàn)室。
5、必須按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。無正當(dāng)理由拖延、不交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，按不及格計(jì)入平時(shí)成績(jī)。
目錄
第一部分 緒論 3
第二部分 基本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 5
1 機(jī)械參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)的組成 5
2 典型信號(hào)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(cè)量橋路的比較 14
5 螺管型差動(dòng)變壓器式電感傳感器的性能與位移測(cè)量 18
6 差動(dòng)變面積式電容傳感器的特性測(cè)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是根據(jù)《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱編寫，適用于機(jī)械類各專業(yè)。
本課程實(shí)驗(yàn)的作用與任務(wù)
《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，該課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。通過本實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生加深對(duì)測(cè)試技術(shù)的感性認(rèn)識(shí)，并能合理地選用測(cè)試裝置，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考問題的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和處理機(jī)械工程技術(shù)問題打下良好的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)課程基本要求如下：
1、了解測(cè)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(cè)試和評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)靜、動(dòng)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(hào)調(diào)理電路和記錄儀器的工作原理和性能。
5、了解信號(hào)分析的基本知識(shí)。
6、掌握應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、振動(dòng)、噪聲等常見物理量的測(cè)試方法。
本課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)
1、機(jī)械參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)的組成：典型測(cè)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(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的組成；以等強(qiáng)度懸臂梁作為對(duì)象對(duì)其振動(dòng)狀態(tài)（速度、加速度、振幅、轉(zhuǎn)速等）的測(cè)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(hào)及其頻譜的識(shí)別與變換：以等強(qiáng)度懸臂梁作為對(duì)象，采用力錘進(jìn)行激勵(lì)，對(duì)其振動(dòng)狀態(tài)速度、加速度進(jìn)行測(cè)試和分析；以信號(hào)發(fā)生器作為對(duì)象，采用數(shù)據(jù)采集箱獲取各類波形；以轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)作為對(duì)象，對(duì)其振動(dòng)狀態(tài)（速度、加速度、振幅、轉(zhuǎn)速等）的測(cè)試和分析。以上均采用典型的CRAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并對(duì)其各階模態(tài)進(jìn)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(shí)和粘貼工藝及方法、不同的布片組橋方法對(duì)電橋輸出的影響。
4、金屬箔式應(yīng)變與三種測(cè)量橋路的比較：?jiǎn)伪邸霕颉⑷珮虻慕M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(dòng)變壓器式電感傳感器的性能與位移測(cè)量：差動(dòng)變壓器式電感傳感器的工作原理及其性能，零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因及補(bǔ)償方法，相敏檢波電路的功能，采用該傳感器對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量的方法。
6、差動(dòng)變面積式電容傳感器的特性測(cè)試：差動(dòng)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(duì)位移進(jìn)行測(cè)量的方法。
7、電渦流傳感器特性及被測(cè)材料對(duì)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(dòng)變面積式傳感器：差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性(自檢實(shí)驗(yàn)五).doc
實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性 同組人
試驗(yàn)時(shí)間 年 月 日，星期 ， 節(jié) 實(shí)驗(yàn)室 K2，508傳感器實(shí)驗(yàn)室 指導(dǎo)教師 高海洲 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>了解差動(dòng)變面積式電容傳感器的原理及其特性。
二、實(shí)驗(yàn)原理
電容式傳感器是將位移、壓力、振動(dòng)點(diǎn)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(gè)平行電極組成，電極之間以空氣為價(jià)值的電容器。電容式傳感器有多種形式，本試驗(yàn)儀中用的是差動(dòng)變面積式。傳感器由兩組定片和一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝與振動(dòng)態(tài)的動(dòng)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(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定位C×1，下層定片與動(dòng)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(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動(dòng)臺(tái)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(dòng)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(shí)驗(yàn)步驟
（1）按圖四接線。
圖四. 電容式傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖
（2）F/V表打到20V檔，調(diào)節(jié)測(cè)微頭，使輸出為零。
（3）轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭，每次0.5mm，記下此時(shí)測(cè)微頭的讀數(shù)及電壓表的讀數(shù)，直至電容動(dòng)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(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)小結(jié)
指導(dǎo)教師批閱及成績(jī)
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
0-2V
電壓表
差動(dòng)變面積式傳感器：差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性(自檢實(shí)驗(yàn)五)
實(shí)驗(yàn)報(bào)告
實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性同組人
試驗(yàn)時(shí)間年月日，星期，節(jié)實(shí)驗(yàn)室K2，508傳感器實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)教師高海洲一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>了解差動(dòng)變面積式電容傳感器的原理及其特性。
二、實(shí)驗(yàn)原理
電容式傳感器是將位移、壓力、振動(dòng)點(diǎn)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(gè)平行電極組成，電極之間以空氣為價(jià)值的電容器。電容式傳感器有多種形式，本試驗(yàn)儀中用的是差動(dòng)變面積式。傳感器由兩組定片和一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝與振動(dòng)態(tài)的動(dòng)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(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定位C×1，下層定片與動(dòng)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(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動(dòng)臺(tái)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(dòng)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(shí)驗(yàn)步驟
（1）按圖四接線。
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差動(dòng)變面積式傳感器：差動(dòng)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(gè)參數(shù)（極板面積、極板距離、介電常數(shù)）固定其中的兩個(gè)參數(shù)（如：極板距離和介電常數(shù)），另一個(gè)（如極：板面積）隨被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化，此時(shí)電容容量隨隨被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化，并由此反映被測(cè)量變化；
差動(dòng)式電容式傳感器：是指同時(shí)制作兩個(gè)相同原理和結(jié)構(gòu)，并相互關(guān)聯(lián)的電容，當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化時(shí)，使兩個(gè)電容的容量朝相反方向發(fā)生變化。這時(shí)：可以利用兩個(gè)電容受外界影響時(shí)變化一致的特點(diǎn)來消除外界干擾（共模抑制），利用兩個(gè)電容相同的非線性對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化（非線性疊加），同時(shí)可以利用兩個(gè)電容變化方向的不同，擴(kuò)大信號(hào)敏感程度。
所以說。差動(dòng)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(cè)量原理，兩者無法比較。
可以有差動(dòng)變面積式電容傳感器。
