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
2024/10/1
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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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
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，
第五章电容式传感器
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
电容式传感器
因此其固有频率很高，适用于动态信号的测量。 ④机械损失小。电容式传感器电极间相互吸引力十分微小，
又无摩擦存在，其自然热效应甚微，从而保证传感器具有较 高的精度。
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第三节 电气火灾消防知识
(3)接触不良引起过热如接头连接不牢或不紧密、动触点压 力过小等使接触电阻过大，在接触部位发生过热而引起火灾。
(4)通风散热不良大功率设备缺少通风散热设施或通风散热 设施损坏造成过热而引发火灾。
(5)电器使用不当如电炉、电熨斗、电烙铁等未按要求使用， 或用后忘记断开电源，引起过热而导致火灾。
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第一节 安全用电知识
正确使用绝缘操作用具，应注意以下两点:
(1)绝缘操作用具本身必须具备合格的绝缘性能和机械强度。
(2)只能在和其绝缘性能相适应的电气设备上使用。
2.绝缘防护用具
绝缘防护用具则对可能发生的有关电气伤害起到防护作用。 主要用于对泄漏电流、接触电压、跨步电压和其他接近电气 设备存在的危险等进行防护。常用的绝缘防护用具有绝缘手 套、绝缘靴、绝缘隔板、绝缘垫、绝缘站台等，如图7-3所示。 当绝缘防护用具的绝缘强度足以承受设备的运行电压时，才 可以用来直接接触运行的电气设备，一般不直接触及带电设 备。使用绝缘防护用具时，必须做到使用合格的绝缘用具， 并掌握正确的使用方法。
3.变介电常数式电容传感器 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，利用这种原理 制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器，它们常用 来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测 量液体的液位等。
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 。
【单元练】(必考题)高中物理选修2第五章【传感器】知识点(答案解析)
一、选择题1．传感器已广泛应用于日常生活。
下列传感器能够将力学量转换为电学量的是（）A．应变片B．干簧管C．热敏电阻D．霍尔元件A解析：AA．应变片是在外力的作用下产生机械形变，其电阻发生相应变化，从而将力学量转换为电学量。
A正确；B．干簧管是将磁学量转化为电学量，B错误；C．热敏电阻是将温度转化为电学量，C错误；D．霍尔元件是将磁学量转化为电学量，D错误。
故选A。
2．抗击新型冠状病毒期间，由于无法外出，某同学在家利用所学物理知识设计能显示拉力大小的电子健身器材，如图所示是原理图。
轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起（弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计），弹簧劲度系数为100N/cm。
定值电阻R0=5Ω，ab是一根长为5cm的均匀电阻丝，阻值R1=25Ω，电源输出电压恒为U=3V，理想电流表的量程为0～0.6A。
当拉环不受力时，滑片P位于a端。
下列关于这个电路的说法正确的是（）A．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0AB．当拉力为400N时，电流表指针指在0.3A处C．当拉力为400N时，电流表指针指在0.5A处D ．该健身器材能测量力的范围是0～400N B解析：B当拉环不受力时，滑片P 在a 端，由欧姆定律得I =01U R R +=0.1A 故A 错误；BC ．拉力为400N 时，由F =k Δx ，则Δx =4cm对应的电阻为R aP =20Ω，R 1接入电路的电阻R Pb =5Ω，由欧姆定律得I ′=0pbU R R +=0.3A 故B 正确，C 错误；D ．在P 移动到b 点时Δx ′=5cm ，由F =k Δx ，拉力最大F =500N故D 错误。
故选B 。
3．下列说法正确的是（ ）A ．穿过闭合电路的磁通量发生变化时，这个闭合电路中就有感应电流产生B ．只要导体相对磁场运动，导体中一定会产生感应电流C ．话筒是一种能够将电信号转换为声音信号的传感器D ．热敏电阻能把热量这个热学量转换为电阻这个电学量A解析：AA ．穿过闭合电路的磁通量发生变化时，这个闭合电路中就有感应电流产生，选项A 正确；B ．只有当闭合电路的部分导体切割磁感线运动时，导体中才会产生感应电流，选项B 错误；C ．话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器，选项C 错误；D ．热敏电阻是由半导体制成的，电阻随温度的升高而减小；从而把温度这个热学量转换为电阻这个电学量；故D 错误；故选A 。
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
电容式传感器原理及其应用PPT课件
2.1 变面积式电容传感器
变面积式电容式传感器通常分为线位移型 和角位移型两大类。
〔1〕线位移变面积型
常用的线位移变面积型电容式传感器可分 为平面线位移型和柱面线位移型两种结 构。
➢ 对于平板状结构，在图4-2〔a〕中，两极板有效覆盖面积就发生变化，电容 量也随之改变，其值为：
➢
➢ 式中，
，为初始电容值。
➢ 当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化， 也会引起电容量发生变化。
➢ 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实 现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化 反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如 下图。
〔a〕柱式
〔b〕平板式
变介电常数式电容传感器
➢ 变介电常数式电容传感器的两极板间假设存在导电 物质，还应该在极板外表涂上绝缘层，防止极板短 路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。
➢ 电桥的输出电压为：
2.2 变压器电桥电路
电容式传感器接入变压器电桥测量电路如下图，它可 分为单臂接法和差动接法两种。
〔a〕单臂接法
〔b〕差动接法
〔1〕单臂接法
图4-8(a)所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高 频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容 构成电桥的四个臂，其中 为电容传感器。
〔a〕电容器的边缘效应
〔b〕带有等位环的平板式电容器
图4-14 等位环消除电容边缘效应原理图
〔2〕保证绝缘材料的绝缘性能 ① 温度、湿度等环境的变化是影响传感器中绝缘材料
性能的主要因素。 ②传感器的电极外表不便清洗，应加以密封，可防尘、
防潮。 ③ 尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为
零的电介质作为电容式传感器的电介质。 ④ 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。
电容式传感器的原理与应用
电容式传感器的原理与应用电容式传感器是一种常见的传感器，其原理是利用电容的变化来检测所测量的物理量的变化。
本文将介绍电容式传感器的原理、类型以及应用。
一、电容式传感器的原理电容式传感器利用电容变化的原理来检测所测量的物理量的变化。
其基本构造为两个电极之间留有空气或被测介质的电容器。
当电容器的电极间距离变化时，电容值会随之变化，因为电容与电极间距离的平方成反比。
电容式传感器的基本结构包括电极、隔离板、悬浮件和支撑件等组成部分。
其中悬浮件被设计成可弯曲或可振动的形式，当所测量的物理量施加到悬浮件上时，悬浮件会变形或振动，会导致电极之间的距离产生变化，进而改变电容的值。
二、电容式传感器的类型电容式传感器根据其工作原理和应用场景的不同，可分为多种类型，如下：1.振动型电容传感器振动型电容传感器是利用悬浮件或振动片的振动来改变电容值的。
其优点是量程大、精度高，广泛应用于加速度、压力等测量。
例如，加速度传感器中的电容式传感器就属于振动型电容传感器。
2.压电型电容传感器压电型电容传感器利用压电效应来检测物理量。
该传感器常用于测量某些材料的内部应力和变形情况，如岩石、混凝土等。
压电型电容传感器的优点在于测量范围宽、灵敏度高。
3.电流型电容传感器电流型电容传感器是在电容体中加入激励电流，通过检测电容的交流电流来测量物理量。
电流型电容传感器主要用于流量、液位、水位等测量。
其优点在于对介质粘度、温度等影响较小。
三、电容式传感器的应用电容式传感器广泛应用于多种物理量的测量，包括加速度、压力、位移、形变、流量、温度等，下面举几个例子：1.安全气囊电容式传感器常常被用于测量车辆的加速度和碰撞计算，从而触发安全气囊的充气。
2.坐标测量在机器人和自动化控制系统中，电容式传感器可以用于测量工具或物品的精确位置和距离。
医学领域中，电容式传感器也可以用于手术操作的精确定位。
3.液位传感器电容式液位传感器是测量液体或粉状物体液位或介质密度的重要设备。
_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。
(必考题)初中高中物理选修二第五章《传感器》知识点(答案解析)
一、选择题1．电磁学的成就极大地推动了人类社会的进步。
下列说法正确的是（）A．甲图是某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式充电的原理图，无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”B．在乙图中，开关由闭合变为断开，则断开瞬间触头C马上离开触点C．在丙图中，钳形电流表是利用电磁感应原理制成的，它的优点是不需要切断导线，就可以方便地测出通过导线中交变电流的大小D．丁是电容式话筒的电路原理图，声波的振动会在电路中产生恒定的电流2．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3．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．图甲表示某压敏电阻的阻值R随所受压力变化的情况。
把这个压敏电阻与秤台、电池、电流表组合起来（图乙），用压敏电阻作为承重的载体，把电流表的刻度改为相应的质量刻度，就得到了一个简易电子秤。
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。
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。
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。
5.1 认识传感器 常见传感器的工作原理及应用(含视频)
思考与讨论
将多用电表的选择开关置于欧姆挡，再将多用电表的两支表笔与负温度 系数的热敏电阻RT(温度升高时电阻减小)的两端相连，这时表针恰好指 在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精，多用电表指针将如何偏转？ 若用吹风机将热风吹向热敏电阻，多用电表指针将如何偏转？ 由于酒精挥发，热敏电阻RT温度降低，电阻值增大，多用电表指针将向 左偏；用吹风机将热风吹向热敏电阻，热敏电阻RT温度升高，电阻值减 小，多用电表指针将向右偏。
观察与思考
(2)热敏电阻分正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两类，电阻值 随温度升高而增大的是正温度系数热敏电阻；电阻值随温度升高而 ___减__小__的是负温度系数热敏电阻。常用的是负温度系数热敏电阻。 3.作用：金属热电阻和热敏电阻把__温__度___这个热学量转换成__电__阻___这个 电学量。
C.R0两端电压变大 D.电源内部发热功率不变
金属热电阻和热敏电阻
观察与思考
热敏电阻
观察与思考
1.金属热电阻：金属导体的电阻随温度的升高而__增__大___，如图中图 线1所示。 2.热敏电阻 (1)热敏电阻指用半导体材料制成，电阻值随温度变化发生明显变化 的电阻。如图中图线2所示为某热敏电阻的电阻—温度特性曲线。
湿度传感器 气体传感器
声音传感器
味觉
味传感器
1.传感器
触觉、温觉
温度传感器 压力传感器
(1)定义：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按
照一定的规律转换为便于传送和处理的_可__用__信__号___(通常是_电__压__、电流等电学量)
输出，或转换为电路的_通__断__的器件或装置。
导练
6.压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学设计了利用压敏电阻判 断竖直升降机运动状态的装置，其工作原理图如图甲所示，将压敏电阻固定在 升降机底板上，其上放置一个物块，在升降机运动的过程中，电流表示数如图 乙所示，已知升降机静止时电流表的示数为I1。下列判断正确的是 A.0到t1时间内，升降机一定静止 B.t1到t2时间内，升降机可有
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2.
• 用步进电机带动钢丝绳，钢丝绳的另一端 安装一个电容式接近开关，先将电容式接 近开关快速放到离水面还有一小部分距离。 后再轻轻往下放。当电容式接近开关碰到 水面时电容发生变化，从而得到信号，计 算转过的家督，换算的钢丝绳长度。比较 得水面的高度
3.
• 在弹性膜片的上下两室中充满硅 油，当左右隔离膜片分别承受高 压 pH 和低压 pL 时，硅油的不可压 缩性和流动性便能将差压Δp=pH pL传递到测量膜片的左 右面上。
11、智能手机电容触屏用的是什 么工作原理？
13、什么是电容式指纹传感器？ 工作原理？
•
1.
盖上顶部的口，传感器类型：接近开关 打包装带，传感器类型：接近开关 堆叠计数，传感器类型：接近开关 提升纸箱，传感器类型：接近开关
打包装带，传感器类型：接近开关
缠绕薄膜，传感器类型：接近开关
转圈计数，传感器类型：接近开关、变面积型电容式传感器
• 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、 酷酸醋酸纤维等。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。
Hale Waihona Puke 9、什么是电容式接近开关 ？工作原理？应 用？ 图片？
电容式接近开关是一种具有开关量输出 与被检测体无机械接触而能动作的传感 器。开关由高 频振荡在开关工作面上 与被测试目标面构成一个电容器中接 在 振荡同路内，参与振荡回路工作。
• 因为测量膜片在焊接前加有预张力， 所以当差压Δp=0时十分平整，使得定 极板左右两电容的容量完全相等，即 CH=CL，电容量的差值为零。在有差 压作用时，测量膜片发生变形，也就 是动极板向低压极板靠近，同时远离 高压测定极板，使得电容CH=CL。
4.
作业
电容接近式传感器
输出 信号： 模拟 量
工作原理：
根据电容量与极板距离成反比的原理， 将一定面积的探头作为电容器的一极板， 被检测物体作为电容器的另一极板，当 物体接近时，电容量就会逐步增大，离 去时电容量减小。
• 在电路实现中，往往把这个探测电容 器作为振荡回路的谐振电容，当电容 变化（物体接近或者远离时），振荡 回路的振荡频率就会发生变化，只要 检测这个振荡频率，就可以判断物体 的距离。
• 依据电容感应原理，当被测介质浸汲 测量电极的高度变化时，引起其电容 变化。它可将各种物位、液位介质高 度的变化转换成标准电流信号，远传 至操作控制室供二次仪表或计算机装 置进行集中显示、报警或自动控制。
5、硅微加工加速度传感器原理 ？有什么应 用？
7、什么是湿敏电容 ？工作原理？有 什么应用？
检测精度：
接线方式：
1、电容式传感器的工作原理？怎么分类
电容式传感器是、将被测非电量变化电 容量的变化，电容器C可以通过改变 S — 面积，称变面积型传感器 — 距离，称变极距型传感器 — 介质，称变介质型传感器
变面积型传感器
变介质型传感器
变极距型传感器
3、什么是电容式液位计？工作原理？ 图片？