第3单元电容式传感器
基本传感器实验报告
实验一电容式位移传感器位移测量实验一、实验目的：了解电容式传感器的结构及其特点。
二、基本原理：利用平板电容C=εA/d的关系,在ε（介电常数）、A（面积）、d（截距）三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可使电容的容量(C)发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电压量,则可以制成多种电容传感器，如：①变ε的湿度电容传感器。
②变d的电容式压力传感器。
③变A的电容式位移传感器。
本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。
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、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、直流稳压电源。
四、实验步骤：1、按图（1-1）将电容传感器装于实验模板上，用专用电容连接线连接电容传感器与实验模块。
2、实验接线见图（1-1），将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，Rw调节到中间位置。
灵敏度S=0.00443V/mm五、实验小结根据所得的实验数据和结果，我们可以算出该传感器的灵敏度，在实验过程中，记录数据的时候必须要等电压表稳定下来在记录这样可以减小实验误差。
遵守实验规则。
最后记录实验二电涡流传感器位移实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：通以高频电流的线圈会产生高频磁场，当有导体接近该磁场时，会在导体表面产生涡流效应，而涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关，因此通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。
三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤：1、根据图2－１安装电涡流传感器。
2、观察传感器结构，这是一个扁平的多层线圈，两端用单芯屏蔽线引出。
3、按图2-2将电涡流传感器输出插头接入实验模板上相应的传感器输入插口，传感器作为由晶体管T1组成振荡器的一个电感元件。
４、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
电子传感器课程标准
《传感器技术及应用》课程标准课程编码：课程类别：主干专业基础课程适用专业：应用电子技术授课单位：应用电子技术教研室学时：52学时编写执笔人及编写日期：学分：审定负责人及审定日期：1、课程定位和课程设计1. 1课程性质与作用课程是应用电子技术专业的专业基础课程，本课程主要研究各类传感器的机理、结构、测量电路和应用方法，主要包括常用传感器、近代新型传感技术及信号调理电路等。
是学科整合课程。
“传感器技术及应用”是应用电子技术专业的一门主干专业基础课程，狭义讲，传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的电量的器件或装置。
是非电量电测法的桥梁和纽带，在当今信息时代中，随着自动测控系统的发展，对传感技术的依赖程度愈来愈大，没有传感器也就没有现代化的自动检测和控制系统。
前导课程：《电工学》、《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《高频电子线路》等后继课程：《电子测量技术》、《智能仪器》等1.2课程设计思路本课程组教师与行业、企业专家密切合作，在大量征求周边行业、企业专家意见的基础上，以企业需求和学生就业为导向，确定该课程的内容。
以专业能力、方法能力、社会能力的培养为重点，充分体现教学内容的职业性能。
2、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下教学目标：知识目标:⑴掌握测量及误差等理论知识⑵掌握常用传感器的基本工作原理、性能特点及使用方法⑶掌握常用的信号处理方法及智能仪表典型信号处理方法⑷了解抗干扰方面的基本知识⑸了解检测技术的新发展能力目标：⑴能够根据检测要求，合理的选用传感器及信号调理电路，⑵能对电子设备中的传感器进行调试和维护素质目标:⑴具有自主学习及自学能力⑵具有强烈的事业心和严谨的工作作风⑶善于与人交流合作3、课程内容与教学要求课程内容按照每次课的时间来考虑，分为19个单元，每个单元2个学时。
第一单元传感器概述（一）教学内容传感器的定义、组成及分类、敏感元件、传感元件，转换电路，自动检测系统组成、应用领域和发展趋势。
自动检测与转换技术课程标准大纲
《自动检测与转换技术A》课程标准一、课程基本信息二、课程性质和任务自动检测与转换技术是自动控制、自动计量、遥感技术、人工智能、电控技术等领域的基础性学科，是自动监测控制系统信息获取、信息转换、信号处理的主要途径，是一门实验性学科, 是电气技术及自动化、自动控制等专业学生的必修专业基础课。
本课程开设一学期，教学时数为40学时，2.5学分。
本课程的任务是：使学生了解工业中常用的传感器的工作原理及适用的场合，使学生能够利用所学知识，正确选用传感器；加强动手能力的培养，结合实验环境理解教材的内容，培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的专业素质。
为后续课程的学习打下坚实的基础。
三、课程教学目标使学生掌握各种类传感器的结构、原理，达到能熟练地分析判断已有的各种类自动控制系统与传感器有关的故障，能熟练使用、更换、维护相关的传感器及配套电路，为学生未来从事专业方面实际工作的能力奠定基础。
（一）知识目标1）了解检测技术的基础概念2）使学生能够系统地学习电阻传感器、电感传感器、电容传感器、热电偶传感器、超声波传感器、光电传感器常用传感器、压电传感器、霍尔传感器等的工作原理、基本结构、测量电路和各种应用。
3）熟悉测量的基本知识和各种数据处理方法，了解检测技术的综合应用，了解自动检测技术的发展趋势（二）能力目标1）对一般检测系统中的理论及技术问题具有一定的分析能力2）掌握各种传感器在检测系统中的应用，具有选择和使用传感器的能力。
3）通过学习，使学生具有查阅资料的能力和对一般检测系统进行析的能力。
（三）素质目标1）通过本课程的讲授扩展学生本专业的知识面，提供专业素质。
2）通过实验来领会所学知识，培养了学生独立思考能力，动手能力和创新能力起到了十分重要的作用3）通过知识教学的过程培养学生爱岗敬业与团队合作的基本素质。
四、课程内容与要求（学时：40 ）五、教学基本条件1、为保证理论与实际操作密切结合，本课程配有一个专用实验室。
(完整版)传感器教案
传感技术及应用课程教案第一章传感器概述§1-1 传感器与非电量测量一、非电量与非电量测量一切物质都处在永恒不停的运动之中。
物质的运动形式很多，它们通过化学现象或物理现象表现出来。
表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。
电量一般是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量则是指除电量之外的一些参数，如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等。
在众多的实际测量中，大多数是对非电量的测量。
在早期，非电量的测量多采用非电的测量方法，例如用尺测量长度；用秤称重量；用水银温度计测温度等等。
但随着科学技术的发展，对测量的准确度、测量速度、尤其对被测量动态变化过程的测量和远距离的检测都提出了更高的要求，原有的非电量测量方法已无法适应这一需要。
因此需要研究新的测量方法和技术。
这就是非电量的电测技术，这种技术就是用电测技术的方法去测量非电的物理量。
（或称把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法）。
非电量电测技术的主要特点：1.应用了已经较为成熟和完善的电磁参数测量技术、理论和方法。
因而，非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量变换成电磁量的技术——传感技术。
2.便于实现连续测量。
连续测量对于某些参数的自动测量（例如地震监测等）是十分重要的，但用非电的方法连续测量大电量却难以实现。
3.电信号容易传输（有线、无线）、转换（放大、衰减、调幅、调频、调相等）、记录、存贮和处理，便于实现遥测、巡回检测、自动测量，并能以模拟或数字方式进行显示和记录测量结果。
4.可在极宽的范围内以较快的速度对被测非电量进行准确的测量。
5. 与计算机相配合可进行传感器输出非线性的校正，误差的计算与补偿，进而使仪器智能化。
同时，也可实现某些参数的自动控制。
6.可完成用非电量方法无法完成的检测任务（如温度场测量等）。
二、非电量电测系统随着计算机技术的普及和应用，人们对传感技术的重要性有了进一步的认识，把传感器视为计算机的“五官”，推动了传感技术的发展。
传感器技术实验指导书
《传感器技术》实验指导书权义萍南京工业大学自动化学院目录实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 (3)实验二直流全桥的应用――电子秤实验 (7)实验三电容式传感器的位移特性实验 (9)实验四压电式传感器振动实验 (11)实验五直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 (13)实验六电涡流传感器综合实验 (15)实验七光纤传感器的位移特性实验 (18)实验一金属箔式应变片单臂、半桥性能比较实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理和性能。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
，对单臂电桥输出电压U o1= EKε/4。
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U O2＝EKε／2。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右图1－1 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器R W3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端V i相连，调节实验模板上调零电位器R W4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。
电容式传感器的位移特性实验报告
∆C =
2πεd
2πε( − ∆)
2πε∆
∆
−
=
= 0
ln(r2 /r1 )
ln(r2 /r1 )
ln(r2 /r1 )
于是，可得其静态灵敏度为：
=
∆
2πε( + ∆) 2πε( − ∆)
4πε
=[
−
]/∆ =
∆
-418
-403
-388
X/mm
12
12.5
13
13.5
14
14.5
15
15.5
16
16.5
17
17.5
U/mv
-372
-356
-339
-322
-304
-286
-269
-251
-231
-211
-192
-171
X/mm
18
18.5
19
19.5
20
20.5
21
21.5
22
22.5
23
23.5
U/mv
-149
72
74
79
85
89
89
85
77
X/mm
23.5
23
22.5
22
21.5
21
20.5
20
19.5
19
18.5
18
U/mv
66
52
35
17
-1
-21
-40
-61
-82
-104
-125
-147
机械工程测试技术(西华大学)智慧树章节测试
第一章单元测试1、多选题：测试系统由（）组成。
选项：A:测量装置B:试验装置C:数据处理装置D:显示记录装置答案: 【测量装置;试验装置;数据处理装置;显示记录装置】2、单选题：下列哪一种是人工产生信号经自然的作用影响而形成的信号（）。
选项：A:振动信号B:机械探伤信号C:地震信号D:物理信号答案: 【机械探伤信号】3、判断题：试验装置是使被测对象处于预定的状态下，并将其有关方面的内在联系充分显露出来，以便进行有效测量的一种专门装置（）选项：A:对B:错答案: 【对】4、判断题：测试装置是将测量装置输出的信号进一步进行处理，以排除干扰和噪声污染，并清楚地估计测量数据的可靠程度。
（）选项：A:错B:对答案: 【错】5、判断题：显示记录装置是测试系统的输出环节，它可将对被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来，数据显示可以用各种表盘、电子示波器和显示屏等来实现。
（）选项：A:对B:错答案: 【对】第二章单元测试1、单选题：下列函数表达式中，（）是周期信号。
选项：2、单选题：.()sin2cos3 fttt =+ 的基本周期是（）。
选项：A:4πB:2πC:πD:3π答案: 【3π】3、单选题：信号可以分为能量信号和（）。
选项：A:功率信号B:物理信号C:振动信号D:确定信号答案: 【功率信号】4、多选题：δ函数的性质有（）。
选项：A:视域扩散性B:偶函数对称性C:原点对称性D:抽样特性答案: 【视域扩散性;偶函数对称性;抽样特性】5、判断题：在信号分析中，以信号的实际用途加以分类，这样信号可以分为确定性信号与非确定性信号、能量信号与功率信号、时限信号与频限信号、连续时间信号与离散时间信号等。
（）选项：A:错B:对答案: 【错】第三章单元测试1、多选题：（）不属于测试系统的静特性。
选项：A:回程误差B:阻尼系数C:线性度D:灵敏度答案: 【阻尼系数;线性度;灵敏度】2、单选题：从时域上看，系统的输出是输入与该系统（）响应的卷积选项：A:阶跃B:斜坡C:脉冲D:正弦答案: 【脉冲】3、判断题：一线性系统不满足“不失真测试”条件，若用它传输一个1000Hz的正弦信号，则必然导致输出波形失真。
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常用的传感器，它利用电容的变化来实现对物体的测量和检测。
在电容式传感器中，电容的变化与物体的位置、形状、介电常数等因素有关，因此可以应用于各种测量场合。
下面我们将详细介绍电容式传感器的工作原理。
首先，电容式传感器由两个电极构成，它们之间的空间形成一个电容。
当有物体靠近电容式传感器时，物体的介电常数会影响电容的数值，从而引起电容的变化。
这种变化可以通过电路进行测量和分析，从而得到物体的位置、形状等信息。
其次，电容式传感器的工作原理基于电容的计算公式，C=ε0εrA/d，其中C为电容的数值，ε0为真空中的介电常数，εr为物体的相对介电常数，A为电极的面积，d为电极之间的距离。
根据这个公式，我们可以看到电容式传感器的变化与物体的介电常数、电极的面积和距离等因素有关。
另外，电容式传感器还可以利用电容的变化来实现非接触式的测量。
由于电容式传感器不需要与物体直接接触，因此可以避免对物体造成损伤，并且可以应用于一些特殊的测量场合。
此外，电容式传感器还可以通过改变电极的布局和结构来实现不同的测量要求。
例如，可以采用平行板电容的结构来实现对平面物体的测量，也可以采用圆形电极的结构来实现对球形物体的测量。
最后，电容式传感器的工作原理还可以应用于一些特殊的领域。
例如，在微机电系统（MEMS）中，电容式传感器可以实现对微小物体的测量，从而应用于微型加速度计、压力传感器等领域。
总的来说，电容式传感器的工作原理是基于电容的变化来实现对物体的测量和检测。
它具有测量精度高、非接触式测量、结构灵活等优点，因此在工业控制、医疗诊断、环境监测等领域有着广泛的应用前景。
希望通过本文的介绍，读者对电容式传感器的工作原理有了更深入的理解。
传感器与测试技术填空题考点归纳分解
传感器与测试技术第1章绪论1.传感器由敏感元件、转换元件和转换电路（信号调理电路）组成。
2.传感器的静态特性有非线性度、灵敏度、迟滞（回程误差）和重复性等。
第二章信号分析与处理1.按信号能量是否有限，可分为能量信号和功率信号。
2.能量信号的平均功率为零。
3.功率信号的平均功率有限。
4.周期信号中，比较傅里叶级数的两种展开式可知：（1）复指数函数形式的频谱为双边谱，三角函数形式的频谱为单边谱；（2）|Cn|=An/2 ；（3）双边幅频谱为偶函数，双边相频谱为奇函数。
5.非周期信号中，可知：（1）非周期信号的幅频谱|X（f）|是连续谱，周期信号的幅频谱|Cn| 是离散谱；（2）二者量纲不同，前者是频谱密度函数，后者是信号幅值。
6.关于奇偶虚实性的三个结论：（1）傅里叶变换不改变奇偶性；（2）偶函数变换不改变虚实性；（3）奇函数变换改变虚实性。
7.香农定理：为了避免频率混叠，以便采样后仍能准确地恢复原信号，要求fs>2 fm。
其中fs为采样频率，fm为最高频率。
第三章测量误差与数据处理1.引用误差一一表征仪器仪表测量精度。
2.误差的分类：系统误差、随机误差和粗大误差。
3.算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准差则反映随机误差的分布范围。
4.测量结果的最可信赖值应在残差平方和为最小的条件下求出，这就是最小二乘法原理。
5.P58页的表3-1.（1）k=1时，置信概率为0.6826.（2）k=2时，置信概率为0.9544.（3）k=3时，置信概率为0.9973.第四章测试系统的特性分析1.测试系统的静态特性（1）非线性度：标定曲线偏离其拟合直线的程度。
其中最常用的方法是最小二乘直线。
（2）灵敏度：测试系统在静态测量时被测量的单位变化量引起的输出变化量。
线性测试系统的灵敏度S为常数，静态特性曲线的斜率越大，其灵敏度越高。
装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。
（3）迟滞（回程误差或滞后）：反映在测试过程中输入量在正行程与反行程的标定曲线不重合(4)重复性：同一个测点，测试系统按同一方向作全量程的多次重复测量时，每一次的输出量都不一样，是随机的。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
《传感器与检测技术(第2版)》胡向东第3章剖析
，该值应该为nV/℃级； 较高的共模抑制比； 符合测量信号的频带范围，即带宽。
3.2 测量电路
3.2.1 直流电桥
B
Io
1. 直流电桥平衡条件
R1 A
当RL→∞时，电桥输出电压为： R3
又有新的增量ΔR’1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生 新的增量， 此时电桥输出电压为 ：
U0 g ( R1 R1)R4 R2 R3 g R1 R4 g (R1K )R4
可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环
境温度无关。
注意补偿条件：
① 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 ② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、 线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 ③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件 材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
推得：
dR
d
R (1 2)
定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应 变所引起的电阻相对变化量。其表达式为
dR
d
K R 1 2
K R 1 2
R
灵敏度系数K受两个因素影响
一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ
二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即
（∆ρ/ρ）/ε。 对金属材料：1+2μ＞＞(∆ ρ/ρ)/ε 对半导体材料：(∆ ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ
3.1 工作原理
应变
物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变
当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变
实验：电容式传感器和电涡流测转速
（1）转动测微器，将梁上振动平台中间的磁铁与测微头相吸，使双平等梁处于（目测）水平位置，见示意图3（b），再向上转动5mm，使梁的自由端往上位移（这时电容片的一组动片一般处于上组定片的中间）。不需调0。
（2）根据图3（b）的电路结构，将电容片的动片和上下两组定片，与电容变换器、差动放大器、低通滤波器、电压表连接起来，组成一个测量线路。
所需单元和部件：涡流变换器、涡流传感器探头、V/F表、电机转动盘、电机控制器、示波器。
有关旋钮的初始位置：V/F表置于F档2KHz档。
实验步骤：
1、电涡流线圈安装在其端面距电机转盘1mm处左右，线圈中央对准转盘上内圈的金属片。注意两平面平行，不可碰擦。
2、根据图1的电路结构，将涡流传感器的探头，涡流变换器，电压表连接起来，组成一个测量线路，同时可将示波器接于涡流式传感器的输出端。
有关旋钮的初始位置：直流稳压电源置于0V档，差动放大器增益旋钮置于中间，V/F表中V表置于20V。
注意事项：
（1）电容片的一组动片和两组定片不能相碰。
（2）如果紧接着作下一个实验并与本实验进行灵敏度比较，就不能改变差动放大器的增益。
实验步骤：（差动放大器增益调到最大调0，然后将增益打到中间）
（1）转动测微器，将梁上振动平台中间的磁铁与测微头相吸，使双平行梁处于（目测）水平位置，这时电容片的一组动片一般处于上下两组定片的中间。
1转动测微器将梁上振动平台中间的磁铁与测微头相吸使双公平梁处于目测水平位置见示意图3b再向上转动5mm间
实验二：变面积式电容传感器
一、变面积式电容传感器的性能
实验目的：了解变面积式电容传感器的工作原理和工作情况。
所需单元和部件：电容变换器（面板示意图见图1（a））差动放大器，直流稳压电源、电桥、低通滤波器V/F表、测微器。
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常用的传感器，它利用电容的变化来检测目标物体的位置、形状或者其他特性。
电容式传感器的工作原理基于电容的基本性质，通过改变电容器之间的电场来实现测量。
在本文中，我们将详细介绍电容式传感器的工作原理及其应用。
电容式传感器的工作原理是基于电容的变化来实现的。
电容是指两个导体之间的电荷储存能力，它与导体之间的距离和面积成正比，与介质的介电常数成反比。
当目标物体接近或远离电容器时，导致电容器之间的距离或介质的介电常数发生变化，从而导致电容的变化。
通过测量电容的变化，可以得知目标物体的位置、形状或其他特性。
电容式传感器通常由两个导体电极和一个介电材料组成。
当目标物体接近或远离电容器时，导致电容器之间的距离或介质的介电常数发生变化，从而导致电容的变化。
通过测量电容的变化，可以得知目标物体的位置、形状或其他特性。
电容式传感器具有灵敏度高、精度高、响应速度快、结构简单等优点，因此在工业自动化、汽车电子、医疗器械、家用电器等领域得到了广泛的应用。
例如，在工业自动化中，电容式传感器可以用来检测物体的位置、形状，从而实现自动化生产线的控制；在汽车电子中，电容式传感器可以用来检测车辆的液位、压力等参数，从而实现车辆的智能控制；在医疗器械中，电容式传感器可以用来监测患者的生理参数，从而实现医疗设备的精准控制。
总之，电容式传感器是一种常用的传感器，它利用电容的变化来检测目标物体的位置、形状或其他特性。
通过测量电容的变化，可以得知目标物体的位置、形状或其他特性。
电容式传感器具有灵敏度高、精度高、响应速度快、结构简单等优点，在工业自动化、汽车电子、医疗器械、家用电器等领域得到了广泛的应用。
《传感器与自动检测技术(第4版)》教学教案(模块3)
《单元1 差动变压器式传感器》教案课题单元1 差动变压器式传感器教学目的1、了解差动变压器的结构及工作原理2、掌握差动整流电路的工作原理，了解差动变压器的应用教学重点差动整流电路教学难点差动整流电路教学资源多媒体教学课件，差动变压器实物教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入模块三电感式及电容式传感器电感式或电容式传感器就是把被测量的变化转换为电感或电容的变化，然后通过对电感或电容的测量达到对非电量检测的目的。
单元1 差动变压器式传感器差动变压器式传感器是根据互感的变化来感知被检测量的。
【实物演示】差动变压器实物提纲挈领法演示展演法概念分析一、电感式传感器简述电感式传感器可分为自感式、互感式、电涡流式三大类。
自感式传感器是把被测位移量转换为线圈的自感变化；互感式传感器是把被测位移量转换为线圈间的互感变化，传感器本身是一个变压器；电涡流式传感器是把被测位移量转换为线圈的阻抗变化。
【图示】交流差动变压器式角位移传感器；GA系列差动变压器位移传感器；TD-1油动机行程阀位位移传感器二、差动变压器式传感器的工作原理1．结构可分间隙式和螺管式两种2．工作原理等效电路如图所示。
基本思想：把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化，图中M1、M2与位移x有关，当位移x很小时U o=k1|x | （无法判别位移方向）【动画】差动变压器原理动画【图示】差动变压器输出特性概念推演法图示讲演法概念讲演法动画演示法图示讲演法《单元2电涡流式传感器》教案《单元3电容式传感器》教案课题单元3 电容式传感器教学目的1、了解电容式传感器的工作原理及结构特点2、掌握变压器电桥的原理和脉冲宽度调制电路的特点3、了解电容传感器的调频电路，熟悉电容传感器的应用教学重点变压器电桥、差动脉冲调宽电路；电容式传感器的应用教学难点变压器电桥教学资源多媒体教学课件，电容式传感器实物教学手段多媒体课堂教学，实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元3 电容式传感器电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。
《传感器技术及其应用》第03单元 压电传感器的应用—压电传感实验
电荷放大模块电路图：
比较器模块电路图：
（1）压电传感模块场景模拟界面认识 压电传感模块场景模拟界面主要包括5个部分，
模拟场景、压电特性曲线、放大信号和灵敏度调节 信号AD值、模拟车速检测的参数、比较器输出状态。
任务一 实验目的 任务二 是按原理 任务三 实验步骤
1. 振动实验模块的启动
（1）将NEWLab实验硬件平台通电并与电脑连接。
原理说明
1. 压电式传感器的工作原理 （1）压电效应 ：
表达这一关系的压电方程如式：
式中 F——作用的外力； Q——产生的表面电荷； d——压电系数，是描述压电效应的物理量。
原理说明
（2)等效电路 其电容量为：
式中 S——压电元件电极面的面积，单位为； δ——压电元件厚度，单位为； ε——压电材料的介电常数，单位为，它随材料不同而不 同，如锆钛酸铅的；
第3单元 压电传感器的应用--压 电传感器实验
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
单元任务预览
一、实验目的 了解压电传感器的检测原理 掌握压电传感器的检测电路及方法 了解压电传感模块的原理并掌握其测量方法
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
原理说明
压电式传感器是将被测量变化转换成材料受 机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，是一 种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器 或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件， 它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如 力、压力、加速度等。
点为1210℃。
c）压电陶瓷：
4. NEWLab压电传感模块认识
①LDT0-028K压电薄膜传感器； ②电荷放大模块电路； ③灵敏度调节电位器； ④信号放大比较器模块； ⑤灵敏度调节信号接口J10，测量灵敏度调节点位器可调端 输出电压，即比较器1正端（3脚）的输入电压； ⑥传感器信号接口J7，测量压电传感器的输出信号； ⑦电荷信号接口J4，测量电荷放大模块的输出信号； ⑧放大信号接口J6，测量信号放大电路输出信号，即比较器 1负端（2脚）的输入信号； ⑨比较输出接口J3，测试信号放大比较器模块的输出信号。 ⑩接地GND接口J2
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。
传感器试题库及答案
压电式传感器一、选择填空题：1、压电式加速度传感器是〔 D 〕传感器。
A、构造型B、适于测量直流信号C、适于测量缓变信号D、适于测量动态信号2、沿石英晶体的光轴z的方向施加作用力时，〔 A 〕。
A、晶体不产生压电效应B、在晶体的电轴*方向产生电荷C、在晶体的机械轴y方向产生电荷D、在晶体的光轴z方向产生电荷3、在电介质极化方向施加电场，电介质产生变形的现象称为〔 B 〕。
A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应4、天然石英晶体与压电瓷比，石英晶体压电常数〔 C〕，压电瓷的稳定性〔C 〕。
A、高，差B、高，好C、低，差D、低，好5、沿石英晶体的电轴*的方向施加作用力产生电荷的压电效应称为〔D〕。
A、正压电效应B、逆压电效应C、横向压电效应D、纵向压电效应6、压电式传感器可等效为一个电荷源和一个电容并联，也可等效为一个与电容相串联的电压源。
7、压电式传感器的输出须先经过前置放大器处理，此放大电路有电压放大器和电荷放大器两种形式。
二、简答题1、什么是压电效应？纵向压电效应与横向压电效应有什么区别？答：*些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，部就产生极化现象，相应地会在它的两个外表上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
通常把沿电轴*－*方向的力作用下产生电荷的压电效应称为"纵向压电效应〞；而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为"横向压电效应〞；所以纵向压电效应与横向压电效应的主要区别在于施力方向不同，电荷产生方向也不同。
2、压电式传感器为何不能测量静态信号？答：因为压电传感元件是力敏感元件，压电式传感器是利用所测的物体的运动产生的相应的电信号，而静态的不能产生相应的电信号。
所以压电式传感器不能测量静态信号。
3、压电式传感器连接前置放大器的作用是什么？答：前置放大器的作用：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面是放大传感器输出的微弱信号。
电容式传感器位移特性实验报告
电容式传感器位移特性实验报告篇一：实验十一电容式传感器的位移特性实验实验十一电容式传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电容传感器的结构及特点二、实验仪器：电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源三、实验原理：电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理：C??Sd??0??r?Sd（11-1）0真空介电常数，εr介质相对介电常数，由式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε此可以看出当被测物理量使S、d 或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
四、实验内容与步骤1．按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。
2．将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。
3．接入±15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。
（Rw确定后不能改动）4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表11-1五、实验报告：1．根据表11-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
六、实验数据曲线图：VX篇二：电涡流传感器的位移特性实验报告实验十九电涡流传感器的位移特性实验一、实验目的了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、实验仪器电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表三、实验原理通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
实验三 电容式传感器静、动态特性实验
实验三电容式传感器静、动态特性实验一、实验目的：1. 了解电容式传感器结构及其特点。
2. 了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。
二、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、低通滤波模板、数显单元、直流稳压源、双踪示波器。
三、实验步骤：1、按实验二的图2-1安装示意图将电容传感器接于电容传感器实验模板上。
2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图3-1。
图3-1 电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元V i相接(插入主控箱V i孔)，R w调节到中间位置。
4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3-1。
5、根据表3-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
6、传感器安装图同实验二图2-1，按图3-1接线。
实验模板输出端V01 接滤波器输入端。
滤波器输出端V，接示波器一个通道（示波器Ｘ轴为20ms/div、Y轴示输出大小而变）。
调节传感器连接支架高度，使Ｖ01输出在零点附近。
7、主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接，振动频率选6～12Hz之间，幅度旋钮初始置０。
8、输入±15V电源到实验模板，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。
9、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与数显Fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。
从示波器测出传感器输出的Ｖ01峰－峰值。
保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的Ｖ01峰－峰值。
四、思考题：1、试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？2、为了进一步提高电容传器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计？如何设计成所谓容栅传感器？3、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量C O和移动0.5mm时的变化量，（本实验外圆半径R=8mm，内圆柱外半径r=7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度1=16mm。
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交流电源 1:1 放大器
测量电极
屏蔽电极
图 4-27 电容式位移传感器测量原理图
电容式压力传感器
Io C CL L C CH HICd K 0p
（4～20）mA的直流输出信
电容差压传感器电路图
电容式加速度传感器
电容差压传感器的主要性能指标为：
量程：0-100～0-700mmH2O；0-500～03500mmH2O；0-3000～0-21000mmH2O；
调频电路
3.2.2 运算放大器式电路
U0
1 1jj C C xUC C xU
3.3.3 二极管双T型交流电桥
图示为二极管双T型交流电桥电路原理图。 e 是高频电源, 它提供幅值为Ui 的对称方波, VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管, R1 = R2 = R, C1、C2为传感器的两个差动电容。当 传感器没有输入时, C1 = C2 。电路工作原理
精度：±0.2%； 测试温度：±40℃； 最大压力：1.4×107Pa。
人体接近式电容传感器
电容式湿度传感器
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高 分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部 门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。
器总电容量401pF，求液位。若容器的直径为3m，
油的密度0.8t/m3，求容器内油的重量。
3.2 电容式传感器的测量电路
3.2.1.调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器 谐振回路的一部分。当输入量导致电容量 发生变化时, 振荡器的振荡频率就发生变 化。
f0 2[(C1C12C0)L]12
电容
习题
画图并说明平板式电容传感器的工作原理。
画出电容式传感器的完整的等效电路及在高、低频激励 下的等效电路。
分析电容传感器的误差因素，有哪些补偿方法？（边缘 效应、寄生电容的消除）
单组式边面积型平板形线位移电容传感器，两极板相对
覆盖部分的宽度为4mm，两极板间隙为0.5mm，极板间介 质为空气，试求其静态灵敏度？若两极板相对移动2mm，
S
c
δ
ε
图 4-1 平 板 电 容 器
变极距型电容传感器
c0
0 rS
图示为一种常用的测量厚度结构。
1 cc11c12 01(01 0S1)x
变面积型电容式传感器
转轴转角的测量
变介质型电容式传感器
下图是电容式液位计示意图。内圆管的外径为
10mm，外圆管的内径为20mm，管的高度为h1＝ 3m, h0＝0.5m，被测介质为油，它的r＝2.3，电容
电容式角度和角位移传感器 的动态范围为 0.1″至几十度，分辨力约0.1″，零位稳定性可 达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精 度陀螺和摆式加速度计。
电容式测振幅传感器 可测峰值为050 μm 、 频率为10 2kHz，灵敏度高于0.01 μm ，非
线性误差小于0.05 μm 。
电容式位移传感器
第3单元电容式传感器
指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也 被称为第二代指纹识别系统。
下图为指纹经过处 理后的成像图：
优点：体积小、成本低、 成像精度高、耗电量很 小，因此非常适合在消 费类电子产品中使用。
实例二：电容层析成像系统
各电极对间的电容值
3.1 电容式传感器的工作原理及类型
S
求其电容变化量。
画出电容式加速度传感器的结构示意图，并说明其工作 原理。
谢谢
当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生 变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相 对湿度成正比。
HM1500湿度传感器
3.2.6 其他应用
1. 电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种
电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是 通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化 ，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件
如下:
3.2.4 变压器电桥
误差因素1：边缘效应
均匀电场
32
3边
缘
1
电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 4 -1 0 带 有 等 位 环 的 平 场板
电容传感器原理图
误差因素2：寄生电容
芯
1:1
线
内屏蔽层
测量
传
电路
感
外屏蔽层
前置级
器
图 4-12 “ 驱 动 电 缆 ” 技 术 原 理 图
3.2.5 电容式传感器的应用
变极距型 适用于较小位移的测量，量程在 0.01μm 至数百微米、精度可达0.01μm 、分 辨力可达0.001 μm 。 变面积型 能测量量程为零点几毫米至数百毫 米之间、线性优于0.5%、分辨力为0.01 μm 。
✓ 理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率 极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐 患，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质 量的键盘
工艺较机械结构复杂
2.液位计
3.料位计
电容料位计电路图
Sitrans LU
超声波
Sitrans LR 400
4线连续 FMCW雷达
Sitrans LC 500