传感器应用实例作业2016(完)

《传感器应用实例》

考试方式：考查

院系：自动控制系

专业：测控技术与仪器

班级： 13030344 姓名：**

学号： **********

2016年6月 10 日

一、查阅传感器（电阻式、电容式、磁电式、热电式、光电式，以及其他类型的新型传感器）应用的相关资料，选择一类传感器，综述这类传感器的应用实例，并分析1至2个应用实例（从传感原理、结构、被测量传感及测试实现过程）（不能将网上原文复制粘贴，需要阅读文献并理解，以自己的思路进行总结分析，控制在4至6页） 50分

(一)电容式传感器

1.基本工作原理[1]

电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，如图1所示。两个平行板组成的电容器的电容量为 A C d ε=

图1平板电容

ε-电容极板间介质的介电常数，0r εεε=；

0ε-真空介电常数；

r ε-介质材料的相对介电常数；

A -两平行极板覆盖的面积；

d -两平行极板之间的距离；

C –电容量；

当被测参数变化使得式中的A,ε或d 发生变化时, 电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可

分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。改变平行极板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A 的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。

2.应用实例（一）——电容式转速传感器

（1） 变面积式电容传感器工作原理[1]

如图2所示是常见的变面积式电容传感器的结构示意图。变面积式电容传感器可分为：线位移式电容传感器如图2（a ）、角位移式电容传感器如图2（b ）、圆柱式线位移电容传感器如图2（c ）（d ）。 测量范围比变间隙式大，可以测量较大范围的现位于和角位移。图2 （c ）、（d ）中所示1、3为固定电容板，2为可动电容板。而该应用实例的工作原理就是线位移式电容传感器的工作原理。

图2表面积式电容传感器结构示意图

线位移式电容传感器的工作原理（如图3为线位移式电容传感器工作原理图）：

图3线位移式电容传感器工作原理图

极板起始覆盖面积为 A = a ³b ，沿活动极板长度方向移动Δa ，则改变了两极板间覆盖的面积，忽略边缘效应，改变后的电容量为

'0()b a a b C C a d d εε-∆=

=-∆

式中a ——极板的长度；

b ——极板的宽度。

电容的变化量为

'0b a C C C a C d a

ε∆∆=-=

∆= 灵敏度为 01c C C K a a

∆==∆ 灵敏度系数c K 为常数，可见减小极板长度a 可提高灵敏度，而极板的起始覆盖宽度b 与灵敏度系数c K 无关。但b 不能太小，必须保证b ＞＞d ，否则边缘处不均匀电场的影响将增大。

（2）电容式转速传感器结构及测量原理

电容式转速传感器是一种电参数型数字式转速传感器。工作时，齿盘随被测轴转动，周期性的改变电容器电极板之间的相对面积，电容量发生周期变化，即传感器利用电容变换原理将被测轴机械转速变换成电容参数量，传感器输出的电容参数信号的频率与被测转速成正比。

图4电容式转速床干起结构原理图

3.应用实例（二）——电容式加速度传感器在发动机上的应用

（1）电容式加速度传感器工作原理[1]

电容式加速度传感器的优点是频率响应范围大，量程范围大，仅受弹性系统

设计限制。其设计的一个困难是如何获得对温度不敏感的阻尼。由于气体粘度的温度系数比液体要小得多，因此采用空气或其它气体作阻尼是合适的。如图5所示是空气阻尼的电容加速度计。

图5电容式加速度计

1.绝缘体；

2.固定电极；

3.振动质量（动电极）；

4.弹簧片

电容式加速度传感器的结构形式一般采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。

(2)电容式加速度传感器在发动机上的应用原理及构造[2]

在发动机EOBD失火诊断模块中，需要借助垂直方向的加速度来判断目前车辆所处的路况。如果所处路面的竖直方向加速度超过某一幅值，那么在一定概率下，发动机曲轴的转速波动会和失火时候的情况近似，这时候就需要暂时关掉失火诊断功能，以免发动机故障指示灯误报警。

加速度传感器在发动机失火诊断中的应用当车辆在极度不平的路面行驶时，车辆的振动可能会通过传动系传到发动机曲轴，造成曲轴转速信号的变化，引起误判失火。目前，在国内外中高端车辆中，主要采用ABS的信号来判断坏路面。而在低端车中（未安装ABS），加速度传感器由于具有判断灵敏等优点而被广泛

地应用。

图6差动式电容加速度传感器结构原理图

如图6所示为差动式电容加速度传感器结构原理图。它有2个固定极板Y、Z（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块X，此质量块的2个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，而2个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。

（二）参考文献

[1] 孟立凡，蓝金辉．传感器原理与应用（第三版）[M]．北京：电子工业出版社，2015：

57-71．

[2] 邓裕．电容式加速度传感器在发动机上的应用[J]．《汽车电器》，2009（5）：11-13．

二、查阅物联网的相关资料，举例说明传感器在物联网领域的重要性及作用。30分

物联网的概念是在1999年提出的。物联网的英文名称叫“The Internet of things”，顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。严格而言，物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网的关键环节可以归纳为“感知、传输、处理”。而传感器是感知环节的重要组成部分，传感器作为感知层信息获取的基础，处于物联网产业链上游，处在物联网金字塔的塔座，是整个物联网产业中需求量最大、最基础的环节。目