第5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。
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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（）。
检测技术第5章部分练习答案
第五章电容传感器思考题与习题答案1．单项选择题1）在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入___C___，可测得最大的电容量。
A. 塑料薄膜B. 干的纸C. 湿的纸 D .玻璃薄片2）电子卡尺的分辨力可达0.01mm，行程可达200mm，它的内部所采用的电容传感器型式是___B___。
A. 变极距式B. 变面积式C. 变介电常数式3）在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中___B___。
A. 电容和电感均为变量B. 电容是变量，电感保持不变C. 电容保持常数，电感为变量D. 电容和电感均保持不变4）利用湿敏电容可以测量__B____。
A. 空气的绝对湿度B. 空气的相对湿度C. 空气的温度D. 纸张的含水量5）电容式接近开关对__D___的灵敏度最高。
A. 玻璃B. 塑料C. 纸D. 鸡饲料6）下图中，当储液罐中装满液体后，电容差压变送器中的膜片___A______。
A.向左弯曲B. 向右弯曲C.保持不动差压式液位计示意图1－储液罐2－液面3－上部空间4－高压侧管道5－电容差压变送器6－低压侧管道7）自来水公司到用户家中抄自来水表数据，得到的是___B___。
A. 瞬时流量，单位为t/hB. 累积流量，单位为t或m3C. 瞬时流量，单位为k/gD. 累积流量，单位为kg8）在下图中，管道中的流体自左向右流动时，_____A____。
A. p1〉p2B. p1〈p2C.p1=p29）管道中流体的流速越快，压力就越_____B____。
A. 大B.小C.不变节流式流量计示意图a）流体流经节流孔板时，流速和压力的变化情况b）测量液体时导压管的标准安装方法c）测量气体时导压管的标准安装方法1－上游管道2－流体3－节流孔板4－前取压孔位置5－后取压孔位置9）欲测量加工罐中面粉的物位，应选用______C______；欲测量10m深的水库水位应选用______A______；欲测量2m深的水池中的水位，既需要用肉眼观察，又需要输出电信号，应选用______B______。
第5章--电容传感器
2. 变间隙（极距）型电容传感器的非线性分析
变间隙型电容传感器总结
•变间隙型电容传感器的输出特性是非线性的 •灵敏度Kg与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越 高，但线性误差增加
•差动式电容传感器的灵敏度比单边的提高了一倍，非 线性误差减小了一个数量级。
电容式传感器例题
一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径 r=4mm ，工作初始间 隙d=0.3mm，介电常数ε=8.85×10-12F/m，试求： 1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量Δd=2μm, 电容变化 量是多少? 2) 若测量电路的灵敏度 S1=100mv/PF, 读数仪表的灵敏度 S2=5 格/mv, 当Δd=2μm,时，读数仪表示值变化多少格? 解：
电容式传感器-实例
• 传声器（Microphone）俗称话筒 ，音译作麦克风，是一种声－电 换能器件，可分电动和静电两类 ，目前广播、电视和娱乐等方面 使用的传声器，绝大多数是动圈 式和电容式。 • 电容传声器以振膜与后极板间的 电容量变化通过前置放大器变换 为输出电压。它能提供非常高的 音响质量，频率响应宽而平坦， 是高性能传声器，但这种传声器 制造工艺复杂，价格高，需外加 60～200V的极化电压源，一般在 专业领域使用较多。
2.角位移变面积型 当动极板产生角位移 θ 时 , 与定极板间的有效覆盖面积改变 , 两极板间的电容量改变。
C C0
灵敏度
半圆形时
θ
当θ=0 时
当θ≠0时, 则:
C0
A
d
动极板
A 1 C C0 C0 d
定极板
C C0V/mm。
动极板 有了云母片极板间的起始间距
可大大减小。极大地提高了电容
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。
传感器技术与应用第5章液位的检测
(5) 由于对小信号放大时存在的杂波比较大，所以级和级之间需加个 带通滤波器，让40kHz的信号通过，其他的信号全都截止，图5-27(d) 中R2()的阻值不能太大，否则带通太宽，达不到滤波效果。 (6) C8是个隔直电容，可以把直流成分去掉。这个电容最好不使用电 解电容，因为这类电容漏电比较大，会夹杂直流成分。
19 四、液面传感器制作的液面报警控制电路
VG4620是一种单片式液面报警控制集成电路， 双列直插8脚封装，如图5-22所示，使用极为简 单。
20 四、液面传感器制作的液面报警控制电路
采用VG4620的液面报警控制电路如图5-23所示。
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任务二 密闭容器的液位检测
◆ 任务要求
在工业生产中，经常会使用各种密闭容器储存高温、有毒、 易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等液体介质，对这些容器 的液位检测必须使用非接触式测量，一般采用超声波液位 传感器。
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三、测量参考电路
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四、总结调试
(1)被测液体中不能充满密集气泡，不能悬浮大量固体，如结晶物等。
(2) 在测量有黏度的液体时需要注意液体的温度影响。
(3)安装测量探头的容器壁要求用能够良好传递信号的硬质材料制成， 例如碳钢、不锈钢、各种硬金属、玻璃钢、硬质塑料、陶瓷、玻璃、 硬橡胶等材料或其复合材料。
9
二、电容式传感器的使用
5．运算放大器式电路
10
◆ 任务实施
一、电容传感器的选型
在保持储水池水位的自动抽水系统中，通 常采用浮标传感器或电极式传感器。浮标 传感器的缺点是有活动部件，在冬季易被 冻结；电极式传感器虽然没有活动部件， 但在冬季也被冰块覆盖。
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。
机械工程测试技术第5 章
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５. ４ 测量电路
• 环形二极管电容测量电路原理如图５－１４ 所示,输入方波加在电桥 的Ａ 点和地之间,Ｃｘ为被测电容,Ｃｄ为平衡电容传感器初始电容的 调零电容,Ｃ 为滤波电容,Ａ 为直流电流表。 在设计时,由于方波脉冲 宽度足以使电容器Ｃｘ和Ｃｄ充、放电过程在方波平顶部分结束,因此, 电桥将发生如下的过程。
的ΔＣ 可以增大,从而使传感器灵敏度提高。
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５. １ 工作原理和结构
• 但ｄ０ 过小,容易引起电容器击穿或短路。 因此,极板间可采用高介电 常数的材料(云母、塑料膜等)作为介质,如图５－４ 所示,此时电容变 为
• 云母片的相对介电常数是空气的７ 倍,其击穿电压不小于１ ０００ ｋ Ｖ/ ｍｍ,而空气仅为３ ｋＶ/ ｍｍ。 因此有了云母片,极板间起始距 离可大大减小。
• 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容为２０~１００ ｐＦ,极板 间距离为２５~２００ μｍ。最大位移应小于间距的１/１０,故在微位 移测量中应用最广。
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５. １ 工作原理和结构
• ５. １. ２ 变面积型电容式传感器
• 图５－５ 所示为变面积型电容式传感器原理结构示意图。 被测量通 过动极板移动引起两极板有效覆盖面积Ｓ 改变,从而得到电容量的变 化。 当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δｘ 时,则电容变化量为
薄膜等的厚度,也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体 介质的湿度。 图５－８ 所示为变介质型电容式传感器常用的结构形 式,图中两平行电极固定不动,极距为ｄ０,相对介电常数为εｒ２ 的电介 质以不同深度插入电容器中,从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传 感器总电容量为
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 。
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
电容式传感器产生误差的因素有几个怎么消除
• 电容触摸屏的优点：电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及
感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾 有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。 电 容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指 触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡 器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。由 于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往 往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。
• 料带前进过程中,采用激光区域传感器检测 料带左右位置,控制伺服驱动器纠偏.目标是 料带左右偏移正负0.25mm
12.电阻式触摸屏与电容式触摸屏比 较各有什么优缺点？为什么？
• 电容式触摸屏的介绍 ：
• 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体层，再 在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应 器。 电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形 成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体 层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流 强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算 电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。
4. 边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性及降低传感器 的灵敏度。消除和减小的方法是在结构上增设防护电极， 防护电极必须与备防护电极取相同的电位，尽量使它们同 为地电位。
第5章《传感器及其应用》参考答案
第5章《传感器及其应用》第1节 揭开传感器的“面纱”【学习目标】1．了解传感器在生产和生活中的应用。
2．知道非电学量转换成电学量的技术意义。
3．知道传感器的最基本原理及其一般结构。
4．知道敏感元件的作用。
【要点透析】1. 什么是传感器？传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）按一定规律转换成便于处理和传输电学量（如电压、电流等）的一种元件。
传感器输入的是非电学物理量，输出的是电学量。
将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理。
各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域。
2．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。
如图5.1-1所示。
敏感元件（预变换器）：将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件。
敏感元件是传感器的核心部分，它是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。
转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。
转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。
3．传感器的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：（1）按工作原理分类物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器，如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等；化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器，如气敏传感器、湿敏传感器等； 生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器，它是由固定生物体材料和适图5.1-1 敏感元件当转换器件组合成的系统。
如组织传感器、细胞传感器、酶传感器等。
（2）按用途分类这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据需要测量的对象选择所需要的传感器。
_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。
《传感器原理及工程应用》课后答案
第1章传感器概述1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语： 1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。
第1章传感器答案：3．答：传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
4．答：①敏感元件：指传感器中直接感受被测量的部分。
②传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
③信号调理器：对于输入和输出信号进行转换的装置。
④变送器：能输出标准信号的传感器第2章传感器特性1．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？2．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。
当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。
3．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比，相角各为多少？ε=0.7时，，又为多少？4．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。
5. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。
6. 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。
7．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。
8．某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。
第5章_常用传感器chjd
工作原理：电磁感应定律。
根据电磁感应定律，在磁场中运动的线圈，产生的感应电 动势为 e—感应电动势(V)；
e BD0 Nv
贵州大学机械工程学院
B—工作气隙中磁感应强度(T)；
D0—线圈的平均直径(m)； N—工作气隙中绕组线圈的匝数；
v—振动体振动速度(m／s)。
陈家兑
测试技术
第5章 常用传感器
贵州大学机械工程学院 陈家兑
测试技术 电感的品质因数Q
第5章 常用传感器
品质因数Q的定义：当线圈在某一频率的交流电压下工作时， 线圈所呈现的感抗和线圈直流电阻的比值。
2fL L Q R R 工作角频率， 2f L 线圈电感量 R 线圈的总损耗电阻
品质因数Q是表示线圈质量的一个重要参数。Q值的大小， 表明电感线圈损耗的大小，其Q值越大，线圈的损耗越小； 反之，其损耗越大。
贵州大学机械工程学院 陈家兑
测试技术
优点：输出阻抗较低，便于测量，
第5章 常用传感器
缺点：在测量时传感器的全部重量都必须附加在被测振动 物体上，这对某些振动测量结果的可靠性将产生较大的附加质 量影响。
应用：适合于在100～1000Hz频率范围内测量振动位移或振 动速度。振动的位移、速度、加速度之间保持着简单的微分、 积分关系，许多测振仪器中带有简单微积分电路，可根据需要 作位移、速度、加速度之间的转换。
（2）面积变化型
角位移型 灵敏度
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0 r C 2
2
A
r 2
2
dC 0r 2 S 常数 d 2
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测试技术
第5章 常用传感器
a）角位移型
b）平面线位移型 c）柱体线位移型 1—动板 2—定板
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：
电容式传感器
器 -解决方法：采用耐高压的材料作介质（如云母、 塑料膜等）。
▪适合于微位移的测量。
进一步分析： 22
电
C
C C0
s 0
s 0
非线性分析：
容
s 0 0
C0
1
/
/
0
0
式 传
C C
0
0
1
1
0
感 器
C C0
0
1
0
0
2
若： 1 0
略去2次方以上高次项：
( ) 2 2
0
0
式 传 感
1 2
m
最大绝对误差：
ym
1 4
m
2 0
2
器
最大相对误差为：
2
ef
ym C C F.S
100%
1 4
m 0
m 0
1
m 0
1 4
m 0
100%
26
电
非线性误差：
ef
1 4
m 0
100%
灵敏度：
容
式 k (C C0 ) F .S . 1 (1 m )
式
➢ 容抗大：几十兆欧～几百兆欧
➢ 视在功率小：mW级
传
➢ 信号弱，一般情况需放大
感
➢ 易受环境电磁场和寄生电容的干扰
器
➢ 当工作频率很高时，容抗将减小，视在 功率增大。
38
四、静电吸力
电
容 原理：克服电场力所做的功与电场能量W的增加
相等。 式
传
F d dW
F dW
d
感
对平板电容器的分析计算：
电
被测物理量 , S, C
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。
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（3）电压—位移灵敏度
dU SC dx 为
dU SC U SR r 6 1 2.4V / m m dx C F 1.8 ln(R / r ) 4.83 1.8 ln(6 / 4.5)
（4）CF为参比测量电容，CX0因为与CF完全相同， 可以起到补偿作用，提高测量精度。
输出与极距变 化为线性关系
输出与极距变 化为线性关系
级
路
适合于电容较大的场合
具体计算请参见
《传感器原理与应 用》单成祥等编著 ，国防工业出版社 2006，第一版
• 本章小结 • 电容容量
通过改变其中的一个参数使电容值发生变化， 这就是电容传感器的工作原理。 引起电容变化的原因不同，电容传感器分为 变极距型、变面积型和变介质型三种不同的电容 传感器。 电容传感器存在的问题：等效电路、边缘效 应、寄生电容和温度特性。因而需要采取相应的 措施。
d 0.1% 100% 1
L 100% d 0
即测量允许变化量
d 0.001mm
3.圆形金属容器中心放置一个带绝缘套管的圆柱形电极用来测 量介质液位。绝缘材料相对介电常数为 1 ，被测液体相对介 电常数为 2 ，液面上方气体相对介电常数为 3 ，电极各 部位尺寸如图所示，并忽略底面电容。求：当被测液体为导 体及非导体时，分别推导出传感器特性方程CH=f(H)。 解：根据题意划出该测量系统等效电路图
C H A2 B2 H
4.现有一只电容式位移传感器如图所示。已知： L=25mm，R=6mm，r=4.5mm。其中圆柱C为内电极，A、 B圆筒为两个外电极，D为屏蔽套筒。C、B构成一个 固定电容CF，C、A构成一个随屏蔽套筒位移运动的 可变电容CX，采用理想运放检测电路，信号源电压 有效值U=6V。
（宽） b
⊿a
长
长 a 宽 b
d
2
电容串联
CA和CB并联 三种电容传感器 均可以测量位移
Cp
Cp寄生电容
等
电容式传感器的特点 优点： 1.结构简单、适应性强 2.动态响应好 3.可以实现非接触测量 缺点： 1.输出阻抗高、负载能力差（几十pF—几百pF） 2.功率小，易受干扰 2.寄生电容影响大、稳定性差（1—2m导线可达 800pF的寄生电容）
U sc Z C F X U SR ZX CF
CX
r ( L x)
1.8 ln(R / r )
1 2.5 CF 4.83pF 1.8 ln(R / r ) 1.8 ln(6 / 4.5)
rL
CX与x成线性关系，因此输出电压USC也与x成线性关系 U SR r ( L x) CX
2 2 0.001 ln( 1) 33.7 pF 3.6 0.001 0.01
2.变间距型电容传感器，当时d0=1mm，若要求测量非 线性度为0.1%，求允许间距测量变化量是多少？ d 解：当变极距型平板电容传感器的 1 ，其线性度 d 表达式为 d 由题意，得
d0
2 2 35.37 pF 3.6 0.01
式中 ； r 1 两极板不平行时的电容值
C
a
1 0 pF / cm 3.6
0 r adx
b d0 x a
0
a a 0 r
0
a 0 r a 2 b b b d( x d ) ln( 1) 0 b a b d0 d0 x a
（1）要求运放输出电压USC与输入位移x成线性关系， 画出CF、CX在检测电路中的位置
（2）求该电容传感器得输出电容—位移灵敏度Kc
（3）求该测量变换系统输出电压—位移灵敏度KV
（4）固定电容的作用是什么？
L
L
R r D
C
⊿x A
B
C Cx
F
Usc U
R S
解：为了Usc=f(x)满足线性关系，将CF接入反馈 回路，CX接在输入回路，则
e1 e3 d
L
C1
CH
CH
C2
e2
H
C3 C4
D1 D
其中C1和C3分别为绝缘套在电极上下两部分形成的 电容，C2为液面上方气体在容器壁与绝缘套管外表 间形成的电容，C4为液体在容器壁与绝缘套管外表 面间的电容。 根据同心圆筒电容计算公式可得电容分别为
1 1 真空介电常数 0 4 9 1011 ( F / cm ) 3.6 ( pF / cm ) 1 ( L H ) 3 (L H )
第5章 电容式传感器
0 8.8510 F m
12
1
C C K d d
0
0
不
思考：
1 1
电容测厚
C
0 A
d1
电容串联
1
d2
2
( 2 1
N1 1 )
C C C
灵敏度与 厚度比之 间的关系
（长） a
电容值发生变化需要测量电路检测，检测电 路主要有耦合式电感桥、双T二极管交流电桥、脉 冲调宽电路、调频电路、运算放大电路等。 电容传感器应用：位移测量、加速度测量、 厚度测量、液位测量、压力测量、力测量、振动 测量等。 注： 电容式传感器受结构尺寸的限制，其电容量 都很小（几皮法到几十皮法），属于小功率、高 阻抗器件，极易受到外界干扰。 电容传感器的引线长度发生变化，电容传感 器的灵敏度需要重新标定。
• 例题
1.已知：平板电容传感器极板间介质为空气，极板 面积S=a×a=(2×2)=4cm2，极距d0=0.1mm。试求 传感器初始电容值；若装配问题，两极板不平行， 一侧为d0，另一侧为d0+b(b=0.01mm)，求此时传 感器的电容值。
b d0
解：初始电容值
c0
sdຫໍສະໝຸດ 0 r sC1 1.8 ln(D1 / d )
C2 1.8 ln(D / D1 )
C3
1.8 ln(D1 / d )
1H
C4
2H
1.8 ln(D / D1 )
当被测液体是非导体时
CH C1 // C2 C3 // C4
C H A1 B1 H
当被液体是导体时
CH C1 // C2 C3
U SC CF U SR C F 1.8 ln(R / r )
dC X （2）由 C X 1.8 ln(R / r ) 求其电容—位移灵敏度 dx ，得 dCX r 1 0.19 pF / m m dx 1.8 ln(R / r ) 1.8 ln(6 / 4.5)