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。
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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