第5章-电容式传感器
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______。
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，
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。
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
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。
2021/4/29
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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。
4
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！
2021/4/29
5
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
传感器原理及工程应用习题参考答案
《传感器原理及工程应用》习题答案王丽香第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差 ％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
解：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
然后重新计算平均值和标准偏差。
当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。
则 20 2.370.01610.0382()d i G mm v σ=⨯=>，所以其他14个测量值中没有坏值。
计算算术平均值的标准偏差200.0043()mm σσ=== 20330.00430.013()d mm σ=⨯=所以，测量结果为：20(120.4110.013)()(99.73%)d mm P =±=1－14交流电路的电抗数值方程为CL X ωω1-= 当角频率Hz 51=ω，测得电抗1X 为Ω8.0； 当角频率Hz 22=ω，测得电抗2X 为Ω2.0； 当角频率Hz 13=ω，测得电抗3X 为Ω-3.0。
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2015-5-28
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• 平板电容器 单击此处编辑母版文本样式 d • 第二级 0 r S • C 第三级 d • 第四级 • —— 第五级 C 电容量，单位：F 法拉
2015-5-28 11
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• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 变介质型传感器 第二级 第三级 第四级 第五级
2015-5-28 12
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•改变极板间覆盖面积的电容式传感器 单击此处编辑母版文本样式 •常用的有角位移型和线位移型两种。 第二级
线位移型电容式传感器 • 第三级 • 对于圆柱线位移型电容式传感器 • ，当覆盖长度 第四级 h变化时，电容量 也随之变化 第五级 • • 其电容为：
二、变面积型电容传感器
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• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
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• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 0 h 第二级 第三级 h x 第四级 2r1 第五级 2r2
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• 单击此处编辑母版文本样式 结论： • 第二级 ① 欲提高灵敏度，应减小间隙d，但受电容器击 • 第三级 穿电压的限制； ②第四级 非线性随相对位移的增加而增加，为保证一 • 定的线性度，应限制动极板的相对位移量。 • 第五级 Δd/d=0.02~0.1
③为改善非线性，可以采用差动式。
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• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
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各种电容式传感器 电容式接近开关
电容式变送器
电容式指纹传感器
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差压传感器
4
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概述
• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 测量管道液位高度 第二级 第三级 第四级 第五级
电容式传感器典型应用
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• • • • •
变极距型传感器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
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• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
变面积型传感器
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• 单击此处编辑母版文本样式 •面积变化型 第二级 :角位移型,平面线位移型,柱面线位移型. • 第三级 + + • 第四级 + + + + • 第五级
变面积型传感器
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5.1 .2 类型 • 单击此处编辑母版文本样式 一、变极距型电容传感器 • 第二级S C0 ( 0 r ) • 第三级d 0 若d从d0→ d0－Δd, 电容量C0→ C0 +ΔC, 则有 • 第四级 S S S d d C0 •C 第五级
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硅微电容式传感器
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5.1 电容式传感器的工作原理及类型 • 单击此处编辑母版文本样式 电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转 • 第二级 换成电容量变化的 --种传感器。 5.1.1 工作原理 • 第三级 由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果 • 第四级 不考虑其边缘效应，其电容为 • 第五级 S C d
• 第三级 + • 第四级 + • 第五级
+
S
两平行极板组成的电容 器,它的电容量为:
C S d
d
2015-5-28
d、S或ε发生变化时，都会引 起电容的变化。再通过配套 的测量电路，将电容的变化 转换为电信号输出。
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改变极板间覆盖面积的电容式传感器常用的有角位移型和 线位移型两种。 • 单击此处编辑母版文本样式
• • • •
第二级 第三级 第四级 第五级
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• • • • •
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电容式液位传感器 • 单击此处编辑母版文本样式
• • • •
第二级 第三级 第四级 第五级
h
0
2r1
hx
2r2
线性
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单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
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二、变面积型电容传感器
• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
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5.1 .2 类型 d d 时，变极距式电容传感器有近似线性关系。所 当 • 单击此处编辑母版文本样式 以变极距型电容式感器一般用来测量微小变化的量。 • 第二级 •电容器灵敏度： • 第三级 C C0 k d d0 • 第四级 • 第五级
0
为了获得高灵敏度，一般通过减小初始极距d0来提高灵敏度， 但——d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材 料如云母片。
第5章 电容式传感器
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概述
• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 第二级非电量 电容量变化 电容元件 第三级 第四级 第五级 1920~1925 电容传感器用于测量
70~80年代，应用广泛
d
0
b
d
x
x C C C 0 x C 0 d a
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b
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• • 第二级 说明： •由此可见电容 第三级 C的相对变化△C/C0与直线位移△x呈线性关 (1) •系； 第四级 (2)减小两极板间的距离d，或增大极板的边长b可提高传感器 •的灵敏度，但 第五级 d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增
2 0( h hx ) 2 hx c r2 r2 ln( ) ln( ) r1 r1
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二、变面积型电容传感器
• 直线位移型电容式传感器 单击此处编辑母版文本样式 图所示为一直线位移型电容式传感器的原理图。当被测量的 • 第二级 变化引起动极板移动距离△x时，覆盖面积S就发生变化，电 • 第三级 容量C也随之改变，其值为： • 第四级 b(a x) •C 第五级 C
集成电容传感器
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1 Xc = jC
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概述 • 单击此处编辑母版文本样式 电容式传感器的特点是：
• 第二级 • 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 第三级 •• 电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗 ; •• 静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； 第四级 • 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； • 第五级 • 可进行非接触测量。
2h C ln(r 2 / r1)
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• • • • •
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
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单击此处编辑母版文本样式 + 第二级 + + 第三级 第四级 第五级
2015-5-28 18
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