第五章电容式传感器
电容传感器专题知识讲座
2024/10/1
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一、电容板材在线测厚仪
测量过程：
电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中旳厚度变化。 带材是电容旳动极板，总电容Cx=C1+C2作为桥臂。 利C1、C2两个极板当带材上下波动时Cx=C1+C2总旳电容量 不变；而带材旳厚度变化使电容Cx变化。
Cx=C1+C2
蓝色为传动、辊绿色为轧辊、黄色为带材、红色为测
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量极板
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二、硅微加工加速度传感器
图示加速度传感器以微细 加工技术为基础，既能测量交 变加速度（振动），也可测量 惯性力或重力加速度。其工作 电压为2.7～5.25V，加速度测 量范围为数个g，可输出与加 速度成正比旳电压也可输出占 空比正比于加速度旳PWM 脉 冲。
K
C X
b
结论：
增大极板长度，减小极板距离都可提升敏捷度
变面积式电容传感器敏捷度K为常数；
输出特征为线性；
2024/10/1 适合大位移测量。
4
变面积式电容传感器旳特征
同心圆筒变面积式：
2R
2r
x
电容变化及敏捷度为
Cx
2 (h
ln(R r )
x)
C
(1
x h
)
3
h0
K dCx 2
dx ln(R r )
C
x x
C
ε
敏捷度为：
K
dCx dx
(
S
x) 2
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电容式传感器
电容值与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空 气等介质的损耗很小。因此仅需从强度、温度系数等机械性考 虑，合理选择尺寸即可，本身发热极小，影响稳定性甚微。 2）结构简单，适用性强。
3)动态响应好。 （固有频率很高，动态响应时间很短外，又由于其介质损耗小， 可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。 4)可以实现非接触式测量，具有平均效应。
d d0
d d0
2
d d0
3
C
C1
C2
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
C
0
1
d d0
2
d d0
4
略去高次项，则
C
2
d d0
C0
传感器的灵敏度为 K C 2C0 d d0
其非线性误差为
( d )3
d 0 (d /d 0)2 100%
( d ) d0
灵敏度较单组变极距型提高了一倍，非线性大大减小。
②等有U关sc ，与任电何源这电些压参U数的、波固动定都电将容使C0及输电出容特式性传产感生器误的差ε，0因、此A 固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。 ③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之 间的联结，需要有屏蔽措施。 ④不适用于差动式电容传感器的测量。
五、电容式传感器的特点及设计要点
主要缺点：
输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大
输出特性是非线性
2、设计要点
设计时可从以下几个方面考虑：
1)减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料
的绝缘性能；
2)消除和减小边缘效应 边缘效应不仅使电容传感器灵敏度降低而且产生非线性，
第5章 硅电容式微传感器
图5-11 平铺叉指结构
⑫三明治叉指型结构
图5-12 三明治叉指结构
5.2 设计、建模与仿真
系统设计包括两个方面，即微传感器设
计与系统电子线路设计两大部分。 对于一个机电混合系统来讲，这两部分 的设计是密不可分的，任何孤立的单方 开发都无助于整个系统的最终形成。
5.2.1 硅微加速度传感器设计
5.3 典型接口电路
几乎所有用ห้องสมุดไป่ตู้测量电容式传感器的电路
是基于电容差值的测量方法，这是因为 被测量的电容值通常是在几个10-18Ｆ到 几百个10-12Ｆ范围内，而采用电容差值 的测量方法恰好可以满足这个测量范围 的要求。
5.3.1 CAV系列接口电路
图5-16 CAV424电路结构和应用电路图
第5章 硅电容式微传感器
硅是一种半导体，在元素周期表中处于
金属和非金属之间。 平板电容器的公式：
5.1 典型传感器结构及工作原理
目前实际应用的典型硅电容式微传感器
有微型硅加速度计、硅集成压力传感器 和CMOS集成电容湿度传感器。
5.1.1 微型硅加速度计
微型硅加速度计是一种新颖的加速
提高硅压力传感器可靠性的措施
通常有： ①在一定的功能下，其设计方案 愈减愈好，器件数量愈少愈好； ②对器件实行减额使用，减轻其 负荷量等。
5.3.2 XE2004接口电路
图5-19 XE2004内部结构框图
5.3.3 MS3110接口电路
MS3110采用调制解调的电容检测方法
。MS3110 芯片内部能够产生2路幅值 相同、相位相反的方波信号作为输出 电容的载波信号, 实现对电容变化的 调制, 调制信号通过电荷积器将电容 变化转换为电压变化, 采样保持电路 对调制信号进行解调, 经过低通滤波 、增益放大就得到与电容差成正比的 电压信号。
传感器习题第5章-电容式传感器
随意编辑第5章 电容式传感器（P99）5－3 图5—7为电容式液位计测量原理图。
请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压0U图5-7 电容式液位变换器结构原理图解：电容式液位计的电容值为：dDnh C C 1)(210εεπ-+=，其中d D n HC 120πε=。
可见C 与液面高度h 呈线性关系。
可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T 形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。
另外要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路。
可以采用环形二极管充放电法，具体电路如图所示。
可将直流电流表改为直流电压表与负载电阻R 的并联，R 上的电压为0U ，则有：)(0d x C C E Rf RI U -∆==其中，C x 为电容式液位计的电容值，f为方波的频率，ΔE =E 2-E 1为方波的幅值，C d为平衡电容传感器初始电容的dD n h C C 1)(210εεπ-+=环形二极管电容测量电路原理图E调零电容。
当h=0时调节dD n HC C d 120πε==，则输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系。
5－5 题5—5图为电容式传感器的双T 电桥测量电路，已知Ω===k R R R 4021，Ω=k R L 20，V e 10=，MHz f 1=，pF C 100=，pF C 101=，pF C 11=∆。
求L U 的表达式及对于上述已知参数的L U 值。
解：()()V C C Uf R R R R R R U L L L L 18.010110110202040)20240(40)()()2(1262012=⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯=-⋅++=-5－8 题5—8图为二极管环形电桥检波测量电路，p U 为恒压信号源，1C 和2C 是差动式电容传感器，0C 是固定电容，其值10C C >>，20C C >>，设二极管41~D D V V 正向电阻为零，反向电阻为无穷大，信号输出经低通滤波器取出直流信号AB e 。
电容式传感器的工作原理及结构形式
加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测 得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀， 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
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汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞
时，经控制系统使气囊迅速充气 。
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一、电容式液位计
棒状电极（金属管）外 面包裹聚四氟乙烯套管，当 被测液体的液面上升时，引 起棒状电极与导电液体之间 的电容变大。
聚四氟乙烯外套
电容式液位限位传感器
液位限位传感器与液 位变送器的区别在于：它 不给出模拟量，而是给出 开关量。当液位到达设定 值时，它输出低电平。但 也可以选择输出为高电平 的型号。
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电容式接近开关外形
齐平式
非齐平式
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非齐平式接近开关的安装
非齐平式安装时，传感器高于安
装支架，易损坏。
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远距离式（大量程）
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全密封防水式
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电容接近开关的规格
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电容式接近开关在液位测量控制中的使用
2而021电/4/2容9 量也随之减小。
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变面积式电容传感器的特性
变面积式电容传感器的输出特性是线性的， 灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位 移、角位移、尺寸等参量。
请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！
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二、变极距式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时，
改变了两极板之间的距离d，从而使电容量
5第五章电容式传感器1精品PPT课件
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
电容的总的变化量
C
C1
C2
2C0
[
d d0
( d d0
)3
]
电容的相对变化量 C 2 d [1 ( d )2 ( d )4 ]
C0
d0
d0
d0
电容特征方程忽略高次项得： C 2 d
C0
d0
提问与解答环节
Questions And Answers
d
d0
d0
非性线误性差误δ就差在和2％d～d0 1有0％关之，间如。果也当就d是d0 说0.，02在~ 0d.1产时生，微则小非变线
化△d时，会产生比较大的非线性误差。显然这种单极板
式变间距型传感器适用于微小位移的测量
第5章 电容式传感器
传感器原理及工程应用
5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（d）
第5章 电容式传感器 5.2 电容传感器输出特性
1 变极距型（ d ）
传感器原理及工程应用
差动结构的电容特征方程式为（当动极板向上移动时）
C1
C0
C
C0
1
1 d
d0
C0[1
d d0
( d )2 d0
]
定极板
C2
C0 [1
d d0
( d d0
)2
]
动极板
C1 d1 C2 d2
定极板
第5章 电容式传感器
A
d0 d
A
d0
(1
d d0
)
C01ຫໍສະໝຸດ 1 dd0增加的电容量为：
电容的相对变化量:
第5章 电容式传感器
电容式传感器的原理及应用
电容式传感器的原理及应用电容式传感器是在工业生产中广泛使用的一种传感器，其原理是利用电容变化来测量被监测物理量的变化。
这种传感器的应用范围非常广泛，从机械振动到压力，从液位到温度，几乎涵盖了所有与工业生产有关的物理量。
1. 传感器的工作原理电容式传感器的工作原理非常简单。
它由两个平行金属板组成，可以是圆形、方形或矩形。
其中一个板作为固定板，另一个则可移动，与被测的对象相接触。
当被测物体发生变化时，移动板与固定板之间的电容量就会发生变化。
电容量的大小与金属板的面积、间距以及介质的介电常数有关。
一般来说，介电常数越大，电容量也越大。
电容的大小可以用下面的公式来计算：C = εA/d其中，C是电容量，A是金属板的面积，d是金属板之间的距离，ε是介电常数。
2. 传感器的应用电容式传感器的应用非常广泛。
以下是几个常见的应用：（1）机械振动机械振动是许多设备故障的根源。
电容式传感器可以用来检测机械振动的幅度和频率，从而帮助工程师预测设备运行状态。
（2）压力电容式传感器可以用来测量压力的大小。
例如，在液压系统中，传感器可以用来监测液体压力，从而帮助确保系统正常工作。
（3）液位电容式传感器可以用来测量液体的液位。
例如，在油罐中，传感器可以用来监测油位，从而确保油罐中的油量不会过低或过高。
（4）温度电容式传感器可以用来测量物体的温度。
例如，在发动机中，传感器可以用来监测发动机的温度，从而确保发动机不会过热。
3. 传感器的局限性电容式传感器有一些局限性。
首先，它们只适用于测量固体或液体的物理量，而不能用来测量气体的物理量。
其次，它们只能测量电容量的变化，而无法直接测量物理量的大小。
最后，它们需要校准，以确保精度。
4. 结论电容式传感器是一种简单而有效的传感器，适用于测量许多与工业生产有关的物理量。
它的工作原理非常简单，非常适合用来监测机器和设备的状态。
虽然它们有一些局限性，但将它们与其他传感器结合使用可以极大地提高监测系统的准确性和效率。
电容式传感器原理
电容式传感器原理
电容式传感器是一种常见的传感器类型，利用物体与电极之间的电容变化来测量物体的位置或运动。
它们通常用于测量机器人的位置、汽车的悬挂位置以及其他需要精准测量的应用中。
电容式传感器的原理是通过测量电容器的电容来测量物体位置
或运动。
电容器由两个平板电极组成，它们之间有一定的距离。
当两个电极之间有一个物体时，它会对电容器的电容产生影响。
具体来说，物体与电极之间的距离越近，电容器的电容就越大。
反之，距离越远，电容就越小。
为了测量电容值，电容式传感器通常会将电容器连接到一个电荷放大器。
这可以放大电容值的变化，并将其转换为电压或电流信号。
这些信号可以被读取并用于计算物体的位置或运动。
电容式传感器的优点是它们可以提供非常高的精度和重复性。
此外，它们可以快速响应变化，并且可以在广泛的温度范围内工作。
然而，电容式传感器也有一些限制，例如对电极之间的距离的限制以及受到电磁干扰的影响。
总之，电容式传感器是一种强大的工具，可以用于许多精密测量应用。
它们可以提供高精度的测量结果，并且可以在广泛的应用中使用，从机器人到汽车悬架。
- 1 -。
_新教材高中物理第五章传感器12认识传感器常见传感器的工作原理及应用课件新人教版选择性必修第二册
1、2 认识传感器 常见 传感器的工作原理及应用
核心素养目标
1．知道什么是传感器，并了解传感器 的种类。
2．知道传感器的组成及应用模式，理 解将非电学量转化为电学量的物 理意义。
3．理解常见传感器敏感元件的特性及 应用。
知识点一 认识传感器 [情境导学] 干簧管的结构很简单，如图甲所示，它只是玻璃管内封入两个软磁性材料制
成的簧片，接入图乙电路，当磁体靠近干簧管时：
(1)会发生什么现象，为什么？ (2)干簧管的作用是什么？
提示：(1)小灯泡会发光，因为两个簧片被磁化而接通。 (2)干簧管起到了开关的作用。
[知识梳理] 1．神奇的传感器 (1)干簧管是一种能够感知磁场的传感器。 (2)楼道灯白天不亮，晚上有声音时亮，是因为楼道的灯安装了“声控—光探” 开关。 (3)一些宾馆安装了自动门，当有人走近时，门会自动打开，是因为自动门安 装了红外线传感器。 (4)交通警察在检查司机是否酒后开车时，用的是“便携式酒精检测仪”，上 面安装了乙醇传感器。
(5)传感器的定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并 能够把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的如电压、电流等电学量，或 转换为电路的通断的装置。
(6)非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换为电学量，可以很方便地 进行测量、传输、处理和控制。
2．传感器的种类 (1)物理传感器：利用物质的物理特性或物理效应制作而成的传感器，如力传 感器、磁传感器、声传感器等。 (2)化学传感器：利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度 等转换为电信号的传感器，如离子传感器、气体传感器等。 (3)生物传感器：利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传 感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。
第五章 电容式传感器
X
22
动极（圆柱）沿轴线移动△L时，电容的变化量为:
2l l C C ln(r2 / r1 ) l
（5-24）
若采用差动结构，动极向上移动Δl，则上面部分的电容量Ca增加， 下面部分的电容量Cb减少，使输出为差动形式，有:
2 (l l ) 2 (l l ) l C Ca Cb 2C ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) l
（5-25）
结论：采用差动式结构，电容变化量增加一倍，则灵敏度也提高一倍。
X
23
角位移变面积型
X
24
(3)角位移式电容传感器
设两半圆极板重合时，电容量为: S r 2 C d 2d
动极2转过角，电容量变为: r 2 ( ) S (1 / )
第 5章
5.1 5.2
电容式传感器
电容式传感器 5.1.1 基本工作原理 5.1.2 电容式传感器的线性及灵敏度 电容式传感器的输出电路及等效电路 5.2.1 电容式传感器的等效电路 5.2.2 电容式传感器的输出电路 影响电容传感器精度的因素及提高精 度的措施 5.3.1 边缘效应的影响 5.3.2 寄生电容的影响 5.3.3 温度的影响 电容式传感器的应用 5.4.1 电容式压力传感器 5.4.2 电容式加速度传感器 5.4.3 电容式荷重传感器 5.4.4 振动、位移测量仪 5.4.5 电容测厚传感器
差动电容式传感器的相对非线性误差近似为:
结论：差动式比单极式灵敏度提高一倍，非线性误差减小。 结构上的对称性，能有效补偿温度变化所造成的误差。
X
12
（2）固定介质与可变间隙式电容传感器
减小极间隙可提高灵敏度，但易击穿。为此，经常在两 极板间加一层云母或塑料等介质，以改变电容的耐压性能。 由此，构成固定介质与可变间隙式电容传感器。
电容式传感器的工作原理
电容式传感器的工作原理
电容式传感器是一种基于电容原理来检测环境参数变化的传感器。
其工作原理是利用电容器的两个带电极板之间的电场变化来确定外部环境的变化。
当电容式传感器处于静止状态时，电容器的两个带电极板之间形成一个稳定的电场。
此时，两个带电极板之间的电场强度是一定的。
当外部环境发生变化时，比如物体靠近或远离传感器，或是环境温度变化，会导致电容器的电场发生变化。
当有物体靠近传感器时，物体会对电容器的电场产生影响，使电场线密集，电场强度增加；而当物体远离传感器时，电场线稀疏，电场强度减小。
这样的变化会导致电容器的电容值发生相应变化。
通过测量电容值的变化，可以确定外部环境的变化。
一般情况下，电容式传感器会将电容值的变化转换成对应的电压或电流信号，并进一步处理和解读，以获取所需的环境参数信息。
需要注意的是，电容式传感器的工作需要一个恒定的电源供应以及合适的信号处理电路。
同时，在使用过程中还需要考虑到环境因素对电容值的影响，比如温度变化、湿度变化等，这些因素会造成一定的误差。
综上所述，电容式传感器通过测量电容值的变化来检测外部环境的参数变化，是一种常用的传感器类型。
它具有响应速度快、精度高等优点，在很多领域都有广泛的应用。
电容式传感器原理
电容式传感器原理
电容式传感器利用物体与电容之间的关系来实现测量。
其基本原理是根据物体与电容之间的接触面积和距离的变化来改变电容值。
传感器通常由两个金属板构成，中间夹有一层绝缘材料。
一个金属板作为感测电极，另一个金属板作为参考电极。
当物体接触感测电极时，物体和感测电极之间形成一对电容。
当物体靠近感测电极时，电容的值增加；当物体远离感测电极时，电容的值减小。
这是因为物体的接触面积和电容板之间的距离直接影响了电容值的大小。
为了测量电容值的变化，传感器通常会与一个电容计结合使用。
电容计通过测量电容的大小来确定物体与感测电极之间的接触面积和距离。
电容式传感器具有许多优点，如高灵敏度、精确度和可靠性。
它们可以用于各种应用，如接触式触摸屏、液位测量、物体检测等。
综上所述，电容式传感器利用物体与电容之间接触面积和距离的变化来测量。
它们具有高灵敏度和精确度，并可广泛应用于许多领域。
王介生-2010检测技术-第5章电容式传感器.
（a）平板状
（b）筒状
C x C0 a C x C0 l
电容改变量与水平位移成线性关系
5.1.1 变面积型电容式传感器
动极板 定极板
r2 A 2
r
A A0 (1 )
图6.6 角位移测量的变面积型电容式传感器原理图
图6.7 计算扇形面积的方法
5.1.2 变介质型电容式传感器
因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器
两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。这 种传感器可用来测量物位或液位，测量厚度，也可测量位
移。
D
5.1.2 变介质型电容式传感器
2 0 H C0＝ D ln d
d
ε 1：液体介质的介电常数 ε :空气的介电常数； H :电极板的总长度； d、D：电极板的内、外径；
Z2U U Z2－Z1 U U 0＝ － ＝ Z1＋Z2 2 Z1＋Z2 2
C1－C2 U U 0＝ C1＋C2 2
5.2.3 运算放大器
Ix
I0
U i
Cx
C0
O
I i
1 1 U i ZC0 I 0 I0 j I0 jwC0 wC0
U o
－K
1 1 U 0 Z Cx I x Ix j Ix jwCx wCx
C d C0 d0 K C C0 1 d d0
单位输入位移所引起的输出电容量变化与 d0 成反比关系
非线性误差
C d ＝ C0 d0
d d d 1 d0 d0 d0
2
非线性误差：
人教版初中高中物理选修二第五章《传感器》知识点总结(含答案解析)(1)
一、选择题1．关于发光二极管，下列说法正确的是（）A．发光二极管能发光，不具有单向导电性B．发光二极管能直接把光能转化为电能C．发光二极管只要在两端加有正向电压，就可以发光D．发光二极管只有加正向电压时，才有可能发光2．有一种测量物体重量的电子秤，其电路原理图如图中的虚线所示，主要由三部分构成：踏板、压力传感器R（实际上是一个阻值可随压力变化的电阻器）、显示体重的仪表G （实质上是电流表）。
不计踏板的质量，已知电流表的量程为2A，内阻为1Ω，电源电动势为12V，内阻为1Ω，电阻R随压力F变化的函数式为R=30-0.01F（F和R的单位分别为N和Ω）。
下列说法中正确的是（）A．该秤能测量的最大体重是2500NB．该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在电流表 G刻度盘的0.375A处C．电流表G的量程越大，则能测量的最大体重越小D．该秤可以通过电路规律转换成12003200FI关系进行刻度转换3．利用电容传感器可检测矿井渗水，及时发出安全警报，从而避免事故的发生。
如图所示是一种通过测量电容器电容的变化来检测矿井中液面高低的仪器原理图，A为位置固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体（矿井中含有杂质的水），A、B、C构成电容器。
若矿井渗水（导电液体深度增大），则电流（）A．从b向a，A、B、C构成的电容器放电B．从a向b，A、B、C构成的电容器放电C．从b向a，A、B、C构成的电容器充电D．从a向b，A、B、C构成的电容器充电4．下列关于传感器说法中不正确的是（）A．电子秤所使用的测力装置是力传感器，它将压力大小转化为可变电阻，进而转化为电压信号B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号C．电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用是控制电路的通断D ．光敏电阻能够把光照强度这个光学量转换为电阻这个电学量5．如图所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。
第5章 1 认识传感器-2常见传感器的工作原理及应用
随堂演练
1.(对传感器的理解)(2019·绵阳市高二期末)关于传感器工作的一般流程， 下列说法正确的是
√A.非电信息→敏感元件→处理电路→电信息
B.电信息→处理电路→敏感元件→非电信息 C.非电信息→敏感元件→电信息→处理电路 D.非电信息→处理电路→敏感元件→电信息
1234
2.(光敏电阻的应用)如图9所示，R3是光敏电阻(光照增强时电阻变小)， 当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势.当用光照射电阻R3 时，则(电源内阻不计)
例3 (多选)如图3所示，R1、R2为定值电阻，L为小灯泡，R3为光敏电 阻，当入射光强度增大时
√A.电压表的示数增大 √B.R2中电流减小
√C.小灯泡的功率增大
D.电路的路端电压增大
图3
解析 当入射光强度增大时，R3阻值减小，外电路总电阻随R3的减小 而减小，由闭合电路欧姆定律知，干路电流增大，R1两端电压增大， 电压表的示数增大，同时内电压增大，故电路的路端电压减小，A项正 确，D项错误；
判断下列说法的正误.
(1)传感器可以把非电学量转化为电学量.( √ ) (2)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化，光照越强电阻越大.( × )
(3)热敏电阻一般用半导体材料制作，导电能力随温度的升高而增强，但
灵敏度低.( × ) (4)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化.( √ )
重点探究 一、传感器 导学探究 干簧管结构：如图1甲所示，玻璃管内封入了两个软磁性材料 制成的簧片，接入图乙电路，当条形磁体靠近干簧管时： (1)会发生什么现象，为什么？
(3)如果某人站在踏板上，电流表刻度盘示 数为20 mA，这个人的体重是多少？(取g＝ 10 N/kg) 答案 55 kg
新教材2021-2022学年高中物理人教版选择性必修第二册课后巩固提升：第五章 传感器
第五章传感器1.认识传感器课后篇素养形成必备知识基础练1.位移传感器的工作原理如图所示,物体M 在导轨上平移时,带动滑动变阻器的金属滑片P, 通过电压表显示的数据,来反映物体M 位移的大小x。
假设电压表是理想电表,物体M 不动时, 滑片P 位于滑动变阻器正中间位置,则下列说法正确的是(ꢀꢀ)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀA.物体M 运动时,电源内的电流会发生变化B.物体M 运动时,电压表的示数会发生变化C.物体M 不动时,电路中没有电流D.物体M 不动时,电压表没有示数解析电压表为理想电表,则电压表不分流,故触头移动时不会改变电路的电阻,也就不会改变电路中的电流,故 A 错误;电压表测的是滑片P 左侧电阻分得的电压,故示数随物体M 的移动亦即触头的运动而变化,故 B 正确,C、D 错误。
答案 B2.如图所示的电路可将声音信号转换为电信号,该电路中右侧固定不动的金属板b 与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a 构成一个电容器,a、b 通过导线与恒定电源两极相接。
若振动膜a 周期性振动,则(ꢀꢀ)A.a 振动过程中,a、b 板间的电场强度不变B.a 振动过程中,a、b 板所带电荷量不变C.a 振动过程中,灵敏电流计中始终有方向不变的电流D.a 向右的位移最大时,a、b 板所构成的电容器的电容最大解析由于平行板电容器两极板与电池两极相连接,两极板间的电压U 保持不变,根据场强E=,C=可判断 A 错误,D 正确。
再由Q=CU 可知,B 错误。
由于Q 变化,使电容器出现充电、放电现象,电流计中电流方向不断变化,C 错误。
答案 D3.如图所示为测定压力的电容式传感器,将平行板电容器、灵敏电流表(零刻度在中间)和电源串联成闭合回路,当压力F 作用于可动膜片电极上时,膜片发生形变,引起电容的变化,导致灵敏电流表指针偏转,在开始对膜片施加压力使膜片电极从图中的虚线推到图中实线位置并保持固定的过程中,灵敏电流表指针偏转情况为(电流从灵敏电流表右接线柱流入时指针向右偏)(ꢀꢀ)A.向右偏到某一刻度后回到零刻度B.向左偏到某一刻度后回到零刻度C.向右偏到某一刻度后不动D.向左偏到某一刻度后不动解析压力F 作用时,极板间距d 变小,由C=知,电容器电容C 变大,又电压U 不变,根据Q=CU 知,极板带电荷量变大,所以电容器应充电,电流由右接线柱流入灵敏电流表,所以指针将右偏。
CH5电容式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答
第5章电容式传感器一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。
A. 保持不变B.增大一倍C. 减小一倍D.增大两倍2、差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。
A．C1-C2 B. C1-C2/C1+C2C. C1+C2/C1-C2D. ΔC1/C1+ΔC2/C23、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A．灵敏度K0增加 B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加 D．非线性误差减小4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。
A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小C．非线性误差增加 D．非线性误差不变5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。
A．变间隙式 B．变面积式C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式6、电容式传感器通常用来测量（）。
A．交流电流 B．电场强度 C．重量 D．位移7、电容式传感器可以测量（）。
A．压力 B．加速度 C．电场强度 D．交流电压8、电容式传感器等效电路不包括（）。
A. 串联电阻B. 谐振回路C. 并联损耗电阻D. 不等位电阻9、关于差动脉冲宽度调制电路的说法正确的是（）。
A. 适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器B. 适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性C. 适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性D. 适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A．调频测量电路 B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路11、在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A．仅电源电压的幅值和频率B．电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C．仅T型网络电容C1和C2大小D．电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍A．1 B．2 C．3 D．0二、多项选择题1、极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距（）。
电容式传感器工作原理
电容式传感器工作原理
电容式传感器是一种常用的非接触式传感器，用于测量物体的位置、形状、液位、液体浓度等参数。
其工作原理是基于电容的变化。
传感器的主体由两个电极构成：一个固定电极（也称为参考电极）和一个移动电极（也称为探测电极）。
当两个电极之间没有被测物体时，它们之间的电容值处于一个固定的状态。
当有被测物体靠近传感器时，被测物体和传感器之间会形成一个电容，并影响到传感器的电容值。
这是因为物体的存在改变了电场的分布，导致电容值的变化。
物体越靠近传感器，电容的值也会增加。
为了测量电容的变化，传感器通常将其连接到一个电容计或电容测量电路中。
这个电路会提供一个恒定的电流或电压，以保持电容值的稳定，并且测量电容的变化。
这个变化的幅度与被测物体与传感器之间的距离成正比。
通过测量电容的变化，传感器可以计算出被测物体的位置、形状或液位等参数。
这种传感器的优点是非接触式的工作原理，可以适用于各种环境和介质。
它在工业自动化、医疗设备和消费电子等领域有广泛应用。
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r1 L 0 L r 2 L ； d0 C C C 0 r 2 1 L ; C0 C0 L0 C 电介质 r 2 的移动量 L C0
5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性
• 变极距型
从前述讨论可知，变极板面积型电容传感器的电容量与作用量（ θ 、 L）间呈严格的线性关系，而变极距型电容式传感器仅在Δ d/d 较小时 呈近似线性关系。按线性关系处理，必然带来一定的非线性误差。
（2）
b x 0 r C C C ; 0
d
ba 0 r C 0 d
C x C0 a
• C~x呈线性关系
D1
3.同心圆筒形线位移电容式传感器 模型：如右图。初始电容C0：
2 0 rL rL C , C ( L /cm ;C /pF ) 0 0 D D ln 0 1 . 80 ln 0 D D 1 1 L ：筒长
灵敏度： K
d
0
d0
然而，d0受介质的绝缘强度限制（空气:约 3KV/mm），不可太小。 通常，d 在25～200μm之间， Δd /d0< 0.1（非线性误差不可太大）。 利用Δd → ΔC的特性，可以测量微小位移或厚度。 放置了介质片的变极距型电容式传感器容量变化公式的推导
C0
A d
d 。
动极板
定极板
0 时， 板级级间的的相对面 ：积 A A 1 1 A1 A C 1 C0 1 C0 C d d
平板电容式角位移传感器
C（ΔC）与θ （角位移）成线性关系。
A-两极板的有 效覆盖面积
放置介质片的平行板电容器
0
g : 介质的相对介电常数 0 : 真空中的介电常数
d g : 介质的厚度 d 0 : 无介质空间的厚度
返回
三、变面积型电容式传感器 1.角位移传感器 模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距为 d , 面积均为A ，可绕同圆心转动，其夹角为θ。
0 0 时， C0 A
-
电力线
平行板电容器
当平行板的间距d 远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时， 对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。
2.同心圆筒形电容器
2 L 2 0 r L C R R ln n r r : 板级间介质的介电常数
忽略了边缘效应: L >> (R – r )
r
R
r : 板级间介质的相对介电 0 : 真空中的介电常数
r ：内筒外半径 R ：外筒内半径 L ：筒长
常数 ( 8 . 85 10 12 C / Nm 2 )
L
同心圆筒形电容器
在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象 的作用发生变化，其电容量将随之改变，这就是电容式传感器的物理基 础。对于平行板电容器可以变化的参数有：ε 、A、d等；对于同心圆筒 形电容器可以变化的参数有：ε 、L、r/R等。
二、变极距型电容式传感器（平行板电容器式）
A C C 初始电容量 ;d :初始板间距（初始极距 ） . 0 0 : 0 d 0
当极距 d0→ d1 = d0-Δd 时，则电容量C0 →C1。 C0 d
A 1 d0 A A A d d ,当 。 C 1 时， CC 1 0 2 d d d d d d 1 0 0 0 d d0 1 1 d0 d0 d 0 0 d 由于 CC ， 所以初始极距 d 小一些，则 C 相应会大一些，即灵敏 度较高。 0 0 d0 CC 1
g g
0
C0 d
g g
d 0 0
0A
d
g g
d
g
0
0A
d
0
C1
0A
d
g g
d0 d
d1 d0 d
0
d0
dg
C1
0A 1 C0 d 1 d g d g d d d 0 1 d g g g d0 g d 1 d g d0 g d C0 C 1 0 2 d g d0 g d 1 d g d0 g
第五章 电容式传感器
5.1 电容式传感器的工作原理和结构
典型应用范围：差压、(角)位移、振动、加速度、物位、成 分含量、层析
一、基本工作原理（物理学内容的复习） 1.平行板电容器 忽略了边缘效应
A A 0 rC C 电容量 d d : 板级间介质的介电常数
+
A d
r : 板级间介质的相对介电 常数 0 : 真空中的介电常数 (8.85 10 12 C/Nm 2 ) A ：板级的面积 d ：板级间的距离
d d 2 d 3 0 r A C0 C C0 C C 0 1 d d0 d 1 d0 d0 d0 d0
a
L
D0
圆柱形电容式线位移传感器
当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：
2 L a a 0 r C C 1 a 成线性关系。 , 与 1 0 D L ln 0 D 1
四 变介质型电容传感器
• 并联电容：
2 h 2 h 1 Hh C 2 2 H C 1 ; C 0 0 D D D D ln ln ln ln d d d d 2 h 1 CCC ; C 被测液位高度 h 0 D ln d