电容式传感器的测量电路很多
《机械工程测试技术基础》熊诗波 课后习题 答案
《 机械工程测试技术基础 》-第三版- 熊诗波等 著绪 论0-1 叙述我国法定计量单位的基本内容。
解答：教材P4~5，二、法定计量单位。
0-2 如何保证量值的准确和一致？ 解答：（参考教材P4~6，二、法定计量单位~五、量值的传递和计量器具检定） 1、对计量单位做出严格的定义； 2、有保存、复现和传递单位的一整套制度和设备； 3、必须保存有基准计量器具，包括国家基准、副基准、工作基准等。
3、必须按检定规程对计量器具实施检定或校准，将国家级准所复现的计量单位量值经过各级计算标准传递到工作计量器具。
0-3 何谓测量误差？通常测量误差是如何分类表示的？ 解答：（教材P8~10，八、测量误差）0-4 请将下列诸测量结果中的绝对误差改写为相对误差。
①1.0182544V±7.8μV ②(25.04894±0.00003)g ③(5.482±0.026)g/cm 2 解答： ①-667.810/1.01825447.6601682/10±⨯≈±②60.00003/25.04894 1.197655/10±≈±③0.026/5.482 4.743±≈‰ 0-5 何谓测量不确定度？国际计量局于1980年提出的建议《实验不确定度的规定建议书INC-1(1980)》的要点是什么？ 解答： (1)测量不确定度是表征被测量值的真值在所处量值范围的一个估计，亦即由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度。
(2)要点：见教材P11。
0-6为什么选用电表时，不但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程？为什么是用电表时应尽可能地在电表量程上限的三分之二以上使用？用量程为150V 的0.5级电压表和量程为30V 的1.5级电压表分别测量25V 电压，请问哪一个测量准确度高？ 解答： (1)因为多数的电工仪表、热工仪表和部分无线电测量仪器是按引用误差分级的（例如，精度等级为0.2级的电表，其引用误差为0.2%），而 引用误差=绝对误差/引用值其中的引用值一般是仪表的满度值(或量程)，所以用电表测量的结果的绝对误差大小与量程有关。
电容传感器的测量电路
D2 D1 ±Ui
R2
R1
R1 ＋
R2
C2
iC1 + C1
iC2 +C (a) RL
2
UE +C1 iC1 RL
Ｕｏ －
(b)
iC2 +
当电源为负半周时，其中二极管D2导通、 D1 截止，电容C2 被以极其短的时间充电， 电容C1 通过R1、RL放电。电路等效为图(b)。
D2 D1 ±Ui iC1 + C1 R2 R1 iC2 +C (a) RL
特点：①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波 动极小，需采用稳幅、稳频等措施； ③通常处于不平衡工作状态，所以传感 器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性 增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡 电桥； ④输出阻抗很高(几MΩ 至几十MΩ )，输 出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数 的处理电路。
T1 T2 T1 T2 U0 U A U B U1 U1 U1 T1 T2 T1 T2 T1 T2
UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间； U1—触发器输出的高电位。 Ur—触发器的参考电压。
U1 T1 R1C1 ln U1 U r
uA U1 0
uA U1 0 t t
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 U F T1 Ur 0 UG Ur 0 (a)
uB U1
0 uAB U1 0 -U1 UF Ur 0 UG Ur 0 (b) T1
t
t U0 t
t
t
T2 t
T2
t
t
差动脉冲调宽电路各点电压波形图
电容式传感器的测量电路
Uo UfM (C1 C2 )
U o UfM (C1 C2 )
1、输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且
与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。 2、当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函 数。 3、电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入 电源要求稳定。
电路特点： ①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了 电容引线、减小了分布电容的影响； ②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们 高度稳定； ③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容 式传感器高内阻的缺点；
D
3
e为负半周时：
D 1
B
Cx
V
i1
C到A的电荷量：
V
D
2
q2=Cx(E2-E1)
E1
A E2 T1 T2 e i4
A C
i2
C
VD
4
i3 Cd
环形二极管电容测量电路原理图 传感器原理与应用
V
D
3
由C点流向A点的平均电流为
I I
CA
q CA f Cx (E2 E1 ) f q AC f Cd (E2 E1 ) f
VD2A E2 NhomakorabeaE1 T1 T2 e i4
i2
C
VD
4
i3 Cd
图5-14 环形二极管电容测量电路原理图
V
D
3
e为正半周时：
D 1
B
Cx
V
i1
A到C的电荷量：
V
D
2
q1=Cd(E2-E1)
E1
A E2 T1 T2 e i4
A C
i2
C
VD
传感器填空题1
1测量1．直接测量方法中，又分，和。
（零位法；偏差法；微差法）2．零位法是指与在比较仪器中进行，让仪器指零机构，从而确定被测量等于。
该方法精度。
（被测量；已知标准量；比较；达到平衡（指零）；已知标准量；较高）3．偏差法是指测量仪表用相对于，直接指出被测量的大小。
该法测量精度一般不高。
（指针、表盘上刻度线位移）7．微差法是和的组合。
先将被测量与一个进行，不足部分再用测出。
（零位法；偏差法；已知标准量；比较；偏差法）8．测量仪表指示值程度的量称为精密度。
测量仪表指示值有规律地程度的量称为准确度。
（不一致；偏离真值）9．测量仪表的精确度简称，是和的总和，以测量误差的来表示。
（精度；精密度；准确度；相对值）10．显示仪表能够监测到被测量的能力称分辨力。
（最小变化）11．传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。
12．对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差是一个定值。
13．测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。
14．某仪表的精度等级为0.1级，是表示在使用时它的最大引用误差不超过±0.1％；即在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的±0.1％。
15．精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。
16．静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。
静态特性的主要技术指标有：线性度、迟滞特性、重复性、灵敏度、分辨力和阈值、稳定性和温度稳定性、漂移、静态误差等。
17．传感器的动态性能指标主要有：固有频率、阻尼系数、频响范围、频率特性、时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳态误差、临界速度、临界频率等。
18．分辨力（分辨率）指传感器能检测到的最小的输入增量，可用绝对值、也可用满量程的百分数表示。
19．阈值：自控系统中能产生一个校正动作的最小输入值。
20．分辨力说明了传感器的最小的可测出的输入变量；阈值说明传感器的最小可测出的输入量。
《传感器技术》作业(2)
《传感器技术》作业（2）一、填空题1、沿应变片轴向的应变εx必然引起应变片电阻的相对变化，而垂直于应变片轴向的横应变εy也会引起其电阻的相对变化，这种现象成为横向效应。
这种现象的产生和影响与应变片结构有关。
为了减小由此产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。
2、为了消除应变片的温度误差，可采用的温度补偿措施包括：单丝自补偿法、双丝自补偿法、桥路补偿法。
3、应变片的线性（灵敏度系数为常数）特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。
当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。
在恒温条件下，使非线性达到10%时的真实应变值，称为应变极限εlim。
它是衡量应变片测量范围和过载能力的指标。
4、应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
5、应变片的选择包括：类型的选择、材料的选择、阻值的选择、尺寸的选择。
6、应变式测力传感器弹性元件即为力敏元件，它将被测力的变化转换成应变量的变化。
弹性元件的形式通常有柱式、悬臂梁式、环式等。
7、利用半导体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型底层上，形成一层极薄的电导P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。
若在圆形硅膜上扩散出4个P型电阻构成惠斯通电桥的4个桥臂，这样的敏感器件称为固态压阻器件。
8、压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移。
因此，必须采用温度补偿措施。
9、压阻器件的零点温度漂移是由于4个扩散电阻值及它们的温度系数不一致而造成的，一般用串、并联电阻法来补偿。
10、压阻器件的灵敏度温度漂移是由压阻系数随温度变化而引起的。
补偿灵敏度温漂，可以采用在电源回路中串联二极管的方法。
11、利用导电材料的电阻率随本身温度而变化的温度电阻效应制成的传感器，称为热电阻式传感器。
12、电位计传感器也称变阻器式传感器，其工作原理是通过改变电位计触头位置，实现将位移变化转换为电阻的变化。
13、在应用中电容式传感器有三种基本类型，即变极距型或称变间隙(δ)型、变面积(S)型和变介电常数(ε)型。
电容传感器测量位移电路仿真设计及原理
摘要传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
电容式传感器就是把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。
本文设计介绍了一种电容式传感器测量位移的设计结构及其工作原理。
关键字：电容式传感器，平行电极，位移目录摘要。
1 引言。
3 传感器转换电路仿真调试及原理分析。
3 1．同相比例放大电路2.二阶低通滤波器电路电容式传感器测量电路设计及分析。
5 误差分析。
8 学习心得。
8参考文献资料。
9引言传感器是科学仪器、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术，是先进国家优先发展的重要基础性技术。
传感器与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱。
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术已越来越广泛地应用于航天、交通运输、机械制造、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。
70年代末以来，随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。
当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。
但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。
传感器转换电路仿真调试及原理分析1．同相比例放大电路同相输入放大电路如图1所示，信号电压通过电阻RS加到运放的同相输入端，输出电压vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。
根据虚短、虚断的概念有vN=vP=vS，i1=if于是求得所以该电路实现同相比例运算。
传感器技术 电容式、测量电路
① 驱动电缆法
☻ 原理：驱动电缆法是一种等电位屏蔽法。使用电缆屏蔽 层电位跟踪与电缆相连的传感器电容极板电位，使两电 位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。
11
介质变化型电容传感器
☻ 原理：利用极板间介质的介电常数变化将被测量转换成电
容变化的传感器称为介质变化型电容传感器。 以电介质插
入式为例， C C1 C2
0a
[ r1(
L
x
)
r2x
]
x
L
☻
S dC
应用特性： dx
0a
(
r2
r1
)
① 变介质型电容传感器可用来测量电介质的液位或某些材 料的温度、湿度和厚度等。
② 介质变化型电容传感器常用于非导电液体液位的测量， 其灵敏度与介电常数的差值(ε2-ε1)的值成正比，(ε2-ε1)值 越大灵敏度越高。
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12
应用中存在的问题和改进措施
(1) 等效电路(Equivalent circuit)
☎ 考虑电容传感器在高温、高
湿及高频激励的条件下工作，
而不可忽视其附加损耗和电 效应影响时，其等效电路如
C—传感器电容；RP—低频损耗并联电 阻； RS—串联损耗电阻；L—电容器及
图。
引线电感；CP—寄生电容
☎ 在实际应用中高频激励时，每当改变激励频率或者更换 传输线缆时，会使传感器有效电阻和有效灵敏度都发生 变化，因此必须对测量系统重新进行标定。
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应用中存在的问题和改进措施
5-2电容式传感器的测量电路 传感器课件
±UE
D2
D1
iC1 +
C1
R2 R1
iC2
+
+C2 RL Ｕ- 0
R1
+ i1 C1
R2
5、调频电路
振荡回路固有电容
f 1
2 LC
引线分布电容
CC1C0Cc
f0
1
2 (
1
（ 5 3 2 ）
C 1 C 0 C c C L
Cx L
Δu 振荡器
Δf
限幅 Δf 放大器
鉴频器 Δu
图5-18 调频式测量电路原理框图
Q
5.3 电容式传感器的特点及设计 与应用中存在的问题
5.3.1 电容传感器的特点
1．电容式传感器的优点 （1）温度稳定性好
传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取 决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小， 只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理 选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。
（2）结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造。能在高
与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电 压确定后，输出电压只是电容C1和C2 的函数。
4、差动脉宽调制电路
利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲 的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤 波器得到对应被测量变化的直流信号。
C1、C2为差动式传感器的
D1
两个电容，若用单组式， 则其中一个为固定电容， 其电容值与传感器电容初 Ur
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图2-3为柱式电阻应变式力传感器示意图。 图2-4为悬挂梁式力传感器示意图。
根据梁上粘贴的应变片的变形便可测出力的大小，在已知m 的情况下可以算出被测加速度的大小。
金属丝的电阻值可以表示为：
R l l S r 2
两边求导可以知道，电阻丝应变片的电阻相对变化量与材料 力学中的轴向应变的关系在很大范围内是线性的，即：
R R
K x
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2.1 电阻应变式传感器
2.1.2 电阻应变片的类型与结构 电阻应变片主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。
3)金属薄膜式。
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2.1 电阻应变式传感器
半导体应变片。 半导体应变片是利用半导体材料作为敏感栅制成的。 半导体应变片是直接用单，单晶锗或单晶硅等半导体材
料制成的，主要优点是灵敏度高，横向效应小。它的缺点是 敏感系数受温度的影响较大，电阻与应变片非线性严重。 电阻应变片的粘贴
2.1 电阻应变式传感器
双臂电桥
为了减少和克服非线性误差，常采用差动电桥。在试件上安 装两个应变片，如R1受拉， R2受压，然后接入电桥相邻臂， 组成双臂电桥。
若满足 R1 R2 R3 R4 R ，R R1 R2 则
UO
UA
UB
R1
R1 R1 R1 R2
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应变式力传感器
F
F
F
F
各种悬臂梁
各种悬臂梁
F
F
固定点
固定点
电缆
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
应变式荷重传感器的外形及
应变片的粘贴位置
F
R4
R
R1
2
荷重传感器原理演示
荷重传 感器上的应 变片在重力 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
汽车衡
2.1 电阻应变式传感器
金属电阻应变片 金属电阻应变片常见的有金属丝式、金属箔式和金属薄膜式 三种。
1)金属丝式。金属丝式应变片主要山电阻丝、基底、覆盖层和引 出线组成，如图2-1所示。
2)金属箔式。金属箔式应变片的敏感栅是用金属箔制成的。箔 式应变片具有表面积与截面积之比大、散热条件好、允许 通过电流较大、灵敏度高的特点。
电阻变化用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专 门的电路来测量这种微弱的电阻变化。最常用的电路为电桥 电路，如图2-2 所示。
常用的电桥电路有单臂电桥、双臂电桥和全桥三种。
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2.1 电阻应变式传感器
单臂电桥
只有一个桥臂电阻是应变片，其余三个桥臂均为固定电阻。
若R1产生一个增量 R ，则：
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金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
R
l A
l
r2
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2
2.1 电阻应变式传感器
电阻传感器的基本原理是将各种被测非电量转换成电阻的变 化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到测量非电量的目 的。本节主要介绍电阻应变式传感器的工作原理、测量电路 及具体的应用。
1）试件的表面处理 2）粘贴 3）固化处理 4）粘贴质量检查 5）引线的焊接及防护
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2.1 电阻应变式传感器
2.1.3 电阻应变式传感器的测量转换电路
应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。通 常金属电阻应变片灵敏度系数k0很小，机械应变一般在10*106到3000*10-6之间，可见电阻相对变化是很小的。
UO
UA
UB
R1 R1 R1 R1 R2
Ui
R3
R4 R4
Ui
当 R1 R2 R3 R4 R ，电桥称为等臂电桥。
若满足 R R1 ，则
UO
R R
4R2
Ui
Ui 4
R R
可以看出，当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出
电压也随着变化。
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2.1.1 电阻应变片的工作原理 电阻应变片是一种能够将被测试件上的应变量转换成电阻变
化量的敏感元件，是电阻应变式传感器的重要组成部分。 在外力的作用下，导体或半导体材料会发生机械形变，
其电阻值也要发生变化，这种现象称为应变效应。 下面以金属电阻丝材料为例来分析应变效应。
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2.1 电阻应变式传感器
第二章 参量型传感器
参量型传感器的工作原理是将被测的物理量转化为电参量的 一类传感器。其在感受外界被测量后，直接输出的不是电量， 而是电参量，如电阻、电感、电容等。因此参量型传感器卞 要有电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器等。
由于这类传感器只能输出随被测量变化的参量信号，因此在 使用时，必须将其接入电桥或谐振电路等线路中，以便将这 些参量信号变成电信号。本章主要介绍几种常用的参量型传 感器。
若满足 R1 R2 R3 R4 R ，R R1 R2 R3 R4
则：
UO
Ui
R R
由此可知，全桥的灵敏度最高，双臂电桥的灵敏度次之，单 臂电桥的灵敏度最低。
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电阻应变式传感器
2.1.4 应变式传感器的应用 电阻应变式传感器的应用十分广泛，除测量应变外，还可以
应变式加速度传感器 应变式加速度传感器实质上是一种力的检测装置，它通过质
量块的惯性将加速度转换为力，然后再作用于弹性元件上， 其结构原理如图2-5 所示。
测量时，将该装置固定在被测物体卜，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用， 即F=-ma，使悬臂梁产生弯曲变形。
R2
U
i
R3
R4 R4
U
i
Ui 2
R R
R 这时输出电压UO与 R 成线性关系，电桥灵敏度比单臂时提
高一倍。由于采用差动对称结构，双臂电桥自身具有温度补 偿功能。
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2.1 电阻应变式传感器
全桥
为了进一步提高电桥灵敏度，更好地进行温度补偿，可采用 差动、对称的四臂电桥，即全桥。所谓差动、对称，也就是 四个桥臂中R1 、R3 承受拉应变，R2、R4 承受压应变。