第3单元 电容式传感器
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。
物性型传感器课件
霍尔传感器通常由半导体材料和电极组成，电极用于测量电压变化。 磁场变化引起半导体材料中载流子运动，进而引起电压变化。
应用
霍尔传感器广泛应用于磁场测量、电流检测等领域。
CHAPTER 06
物性型传感器应用案例
电子称重系统
总结词
电子称重系统是物性型传感器的重要应用之一，能够实 现高精度、高稳定性的称重测量。
总结词
流量测量系统是通过对流体流量进行监测，实现流量控制和计量等功能。
详细描述
流量测量系统由流量传感器、信号处理单元、显示或控制单元等组成，能够实时 监测流体的流量变化，并输出相应的电信号或数字信号。广泛应用于石油化工、 电力、水处理等领域。
振动监测系统
总结词
振动监测系统是通过对设备或结构的振动进行监测，实现故 障诊断和状态监测等功能。
详细描述
电子称重系统由称重传感器、放大器、显示仪表等组成， 能够将物体质量转化为电信号进行测量和记录。其优点 包括高精度、高稳定性、快速响应等，广泛应用于工业、 商业、医疗等领域。
压力监测系统
总结词
压力监测系统是通过对气体或液体的压力进行监测， 实现压力控制和报警等功能。
详细描述
压力监测系统由压力传感器、信号处理单元、显示或控 制单元等组成，能够实时监测气体或液体的压力变化， 并输出相应的电信号或数字信号。广泛应用于工业过程 控制、气体分析、环保监测等领域。
结构与工作原理 磁性编码器通常由磁极和磁性颗粒组成。磁极用于产生磁 场，磁场中的磁性颗粒受到磁力作用而排列。通过测量磁 性颗粒的排列变化可以获取位置信息。
应用 磁性编码器广泛应用于旋转编码器、角度测量等领域。
霍尔传感器
霍尔效应
霍尔效应是指电流通过半导体材料时，垂直于电流方向产生电压的 现象。霍尔传感器利用这一效应，将磁场变化转换为电信号。
电子称系统解决方案(3篇)
第1篇一、引言随着科技的发展，电子称作为现代工业生产、商业交易、科研等领域的重要计量工具，其准确性和稳定性备受关注。
为了满足市场需求，本文将针对电子称系统进行深入分析，提出一种综合性的解决方案，以提升电子称的可靠性、准确性和智能化水平。
二、电子称系统概述1. 电子称的定义电子称是一种利用电子技术进行计量的设备，通过对物体重量进行测量，实现质量信息的获取。
与传统机械称相比，电子称具有精度高、响应快、操作简便等优点。
2. 电子称系统组成电子称系统主要由以下几部分组成：（1）传感器：将物体的重量转化为电信号。
（2）信号处理电路：对传感器输出的电信号进行放大、滤波、A/D转换等处理。
（3）微处理器：根据信号处理电路输出的数据，进行数据处理、运算和显示。
（4）显示器：将微处理器处理后的结果以数字或图形形式显示出来。
（5）执行机构：根据需要，对电子称进行自动调零、校准等功能。
三、电子称系统解决方案1. 传感器选型传感器是电子称系统的核心部件，其性能直接影响电子称的测量精度。
以下是几种常见的传感器选型：（1）应变片式传感器：具有灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点。
（2）压阻式传感器：结构简单、成本低、易于安装。
（3）电容式传感器：具有非接触式测量、抗干扰能力强等特点。
根据实际应用需求，选择合适的传感器，以保证电子称系统的精度和可靠性。
2. 信号处理电路设计信号处理电路是电子称系统中的关键环节，其设计应满足以下要求：（1）放大电路：对传感器输出的微弱信号进行放大，提高信号幅度。
（2）滤波电路：抑制噪声干扰，提高信号质量。
（3）A/D转换电路：将模拟信号转换为数字信号，便于微处理器处理。
（4）电源电路：为电子称系统提供稳定、可靠的电源。
3. 微处理器选择与软件开发微处理器是电子称系统的核心控制单元，其性能直接关系到电子称的智能化程度。
以下是微处理器选择与软件开发的关键点：（1）微处理器选择：根据电子称系统的功能需求，选择合适的微处理器，如单片机、ARM等。
(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）。
光电传感器应用技术答案
光电传感器应用技术答案【篇一：传感器课后答案】是传感器？传感器定义为能够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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2传感器的共性是什么？传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。
1.3传感器由哪几部分组成的？由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。
1.4传感器如何进行分类？（1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。
（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。
（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。
（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。
1.5传感器技术的发展趋势有哪些？（1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？（1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理第2章传感器的基本特性2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。
主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。
2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。
常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。
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。
传感器与测试技术填空题考点归纳分解
传感器与测试技术第1章绪论1.传感器由敏感元件、转换元件和转换电路（信号调理电路）组成。
2.传感器的静态特性有非线性度、灵敏度、迟滞（回程误差）和重复性等。
第二章信号分析与处理1.按信号能量是否有限，可分为能量信号和功率信号。
2.能量信号的平均功率为零。
3.功率信号的平均功率有限。
4.周期信号中，比较傅里叶级数的两种展开式可知：（1）复指数函数形式的频谱为双边谱，三角函数形式的频谱为单边谱；（2）|Cn|=An/2 ；（3）双边幅频谱为偶函数，双边相频谱为奇函数。
5.非周期信号中，可知：（1）非周期信号的幅频谱|X（f）|是连续谱，周期信号的幅频谱|Cn| 是离散谱；（2）二者量纲不同，前者是频谱密度函数，后者是信号幅值。
6.关于奇偶虚实性的三个结论：（1）傅里叶变换不改变奇偶性；（2）偶函数变换不改变虚实性；（3）奇函数变换改变虚实性。
7.香农定理：为了避免频率混叠，以便采样后仍能准确地恢复原信号，要求fs>2 fm。
其中fs为采样频率，fm为最高频率。
第三章测量误差与数据处理1.引用误差一一表征仪器仪表测量精度。
2.误差的分类：系统误差、随机误差和粗大误差。
3.算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准差则反映随机误差的分布范围。
4.测量结果的最可信赖值应在残差平方和为最小的条件下求出，这就是最小二乘法原理。
5.P58页的表3-1.（1）k=1时，置信概率为0.6826.（2）k=2时，置信概率为0.9544.（3）k=3时，置信概率为0.9973.第四章测试系统的特性分析1.测试系统的静态特性（1）非线性度：标定曲线偏离其拟合直线的程度。
其中最常用的方法是最小二乘直线。
（2）灵敏度：测试系统在静态测量时被测量的单位变化量引起的输出变化量。
线性测试系统的灵敏度S为常数，静态特性曲线的斜率越大，其灵敏度越高。
装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。
（3）迟滞（回程误差或滞后）：反映在测试过程中输入量在正行程与反行程的标定曲线不重合(4)重复性：同一个测点，测试系统按同一方向作全量程的多次重复测量时，每一次的输出量都不一样，是随机的。
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第3单元 电容式传感器
3.1 电容式传感器的工作原理类型及特点 3.2 电容式传感器的测量电路及应用 习题
请你思考
试举例你身边的小距离非接触测量的电容式传感 器。 电容式传感器可否替代应变片式传感器，制成称 重设备？考虑它的弹性元件应如何设计？ 电容测量时，引线与大地之间的杂散电容对被测 电容影响较大，考虑四相检测电容转移式微电容 测量线路可否克服上述问题。 试采用MATLAB/Simulink建立电容传感器的仿真 模型，可调用现有的转换电桥模块Converting bridge和整流模块Rectifier等，观察输入输出值和 准确度。
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
1 2 [(C1 C2 C0 ) L]
1 2
调频电路
3.2.2 运算放大器式电路
U0
1 jCx C U U 1 jC Cx
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
δ
S c
ε
图 4-1
平板电容器
变极距型电容传感器
0 r S c0
图示为一种常用的测量厚度结构。
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 U i 的对称方波 , V D1 、 V D2 为特性完全相同的两个二极管 , R 1 = R 2 = R , C 1 、C 2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 如下:
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。 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
CL CH K Io IC p CL CH d0
（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； 精度：±0.2%； 测试温度：±40℃； 最大压力：1.4×107Pa。
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力 等）的变化转换成电容变化量的一种传感 器。实际上,它本身（或和被测物）就是一 个可变电容器。
实例一：指纹识别传感器
图为IBM ThinkpadT4 2/T43 的指纹识 别传感器
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：
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 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
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
3.2.4 变压器电桥
误差因素1：边缘效应
3
均匀电场 2 1
3
边 缘 电 场
图 4-10 带有等位环的平板 电容传感器原理图
误差因素2：寄生电容
芯 线 传 感 器
图 4-12
1:1 内屏蔽层 外屏蔽层 测量 电路 前置级
“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 。
2.液位计
3.料位计
电容料位计电路图
Sitrans LR 400 Sitrans LU
超声波
4线连续 FMCW雷达
Sitrans LC 500
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， 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。
1 1 1 01 ( 0 1 ) x c c1 c2 01S
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。