3.1 电容式传感器
电容式加速度传感器的工作原理
电容式加速度传感器的工作原理1. 电容式加速度传感器简介说到电容式加速度传感器，咱们先从头说起。
这玩意儿可不简单，它其实是个测量加速度的神器，能帮助我们搞清楚物体在加速过程中的表现。
加速度呢，就是物体速度变化的快慢程度。
比如说你在坐车，车子一加速，你的身体就会有种被推向后面的感觉，这就是加速度在作怪。
电容式加速度传感器的工作原理就像是一个超聪明的“小侦探”，专门负责侦测这种加速度的变化，告诉我们车子到底是加速了还是减速了。
2. 工作原理2.1 电容器的基本概念先来聊聊什么是电容器吧。
你可以把电容器想象成一个小小的储能罐，专门用来存储电荷。
它有两个平行的电极，电荷就存储在这两个电极之间。
当这两个电极之间的距离发生变化，电容器的储能能力也会跟着变化。
这样一来，电容器的电容值就变了。
这就是电容器的基本原理。
2.2 电容式加速度传感器的工作方式好了，咱们回到电容式加速度传感器。
它是如何利用电容器的原理来检测加速度的呢？其实挺有趣的。
想象一下，在传感器的内部，有一个可以移动的电极和一个固定的电极。
当加速度发生时，这个可移动的电极会受到一个力的影响，从而移动。
这样一来，两个电极之间的距离就发生了变化。
这种距离的变化直接导致电容器的电容值发生变化。
而电容值的变化就被传感器的电子系统检测到，并且被转换成相应的电信号。
这个信号的强弱，就反映了加速度的大小。
就像你在打游戏的时候，游戏里的角色受到的加速度会影响它的动作一样，这些加速度传感器也能准确地告诉我们，现实世界里的物体正在经历什么样的加速度。
3. 应用实例3.1 在汽车中的应用说到电容式加速度传感器的应用，那真是无处不在。
举个例子，汽车里的电容式加速度传感器可谓是“身经百战”。
它们不仅能帮助车载系统检测车速和加速情况，还能在汽车发生碰撞时，迅速启用安全气囊，保障乘客的安全。
就像我们在开车的时候，突然踩油门或者刹车，车子会感觉到加速或减速，传感器就能精确地感知这些变化，帮我们确保行车安全。
第6讲 电容式传感器
这种传感器的输出特 性呈线性。因其量程不 受线性范围限制，适合 于大直线位移测量。
2.角位移型
+
+
+
A(1 ) C C0 (1 ) d
电容传感器的容量与投影面积的关系演示
（3）园柱型电容传感器 •当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发 生变化，从而导致电容量的变化。
智能化液位限位传感器的设定按钮
正常工作指示灯 电源指示灯
超限灯
设定按钮
电容式接近开关
电容式压差传感器
P
凹玻璃圆片
弹性膜片(动电极)
P
弹性膜片(动电极) 固定电极
固定电极 电容式差压传感器 差动型
电容式压力传感器 单只变间隙型
CA
PL
CL
d0
hmax
C0
CL
CA
CA C0
CH
C0
PH
CH
等效电路
动极板 电容式称重传感器
电容式称重传感器 •在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一 排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆 孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应 增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映 的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小 F （误差平均效应）
A1
Ur
VD1 Q A R1 F C1 uAB C2 G VD2
双稳态 触发器
A2
Q B
R2
差动脉冲调宽电路原理图
优点： •采用直流电源，其电压稳定度高 •不存在稳频、波形纯度的要求 •也不需要相敏检波与解调等 •对元件无线性要求 •经低通滤波器可输出较大的直流电压 •对输出矩形波的纯度要求也不高
《传感器与自动检测技术》课后习题答案(余成波 主编)
一、1.1什么是传感器？传感器特性在检测技术系统中起什么作用？答：（1）能感受（或响应）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。
（2）传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。
1.2画出传感器系统的组成框图，说明各环节的作用。
答：（1）被测信息→敏感元件→转换元件→信号调理电路→输出信息其中转换元件、信号调理电路都需要再接辅助电源电路；（2）敏感元件：感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件；转换元件：可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量；信号调理电路与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用电路。
1.3什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？如何用公式表征这些性能指标？答：（1）指检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化缓慢时系统所表现出得响应特性。
（2）性能指标有：测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差、稳定度和漂移、重复性、分辨率和精确度。
（3）灵敏度：s=&y/&x；非线性度=B/A*100%；回程误差=Hmax/A*100%；不重复性Ex=+-&max/Yfs*100%；精度：A=&A/ Yfs*100%；1.4什么是传感器的灵敏度？灵敏度误差如何表示？答：（1）指传感器在稳定工作情况下输出量变化&y对输入量变化&x的比值；（2）灵敏度越高，测量精度就越大，但灵敏度越高测量范围就越小，稳定性往往就越差。
1.5什么是传感器的线性度？常用的拟合方法有哪几种？答：(1)通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线，在实际工作中，为使仪器（仪表）具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度就是这个近似程度的一个性能指标。
（2）方法有：将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为一条拟合直线；将与特性曲线上个点偏差的平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
清华大学出版社传感器课后习题参考答案
传感器与检测技术思考题参考答案第一章1. 传感器由那几部分组成？并说明各组成部分的功能。
答:传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路等几部分组成。
敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。
转换电路：将转换元转换成的电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
2. 什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么条件下一般要研究传感器的动态特性？在时域条件下研究静态，在频域条件下研究动态 3. 请使用性能指标描述检测系统的静态特性。
（P9-P11）4. 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm 变到5.0mm 时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至2.5V ，求该仪器的灵敏度。
解：该仪器的灵敏度为25.40.55.35.2−=−−=S mV/mm5. 某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器： 0.45Ω/℃ 电桥： 0.02V/Ω放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V 求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值。
解：（1）测温系统的总灵敏度为18.02.010002.045.0=×××=S cm/℃（2）记录仪笔尖位移4cm 时，所对应的温度变化值为22.2218.04==t ℃ 第二章 检测系统的误差合成1.什么是系统误差？产生系统误差的原因是什么？如何发现系统误差？减少系统误差有哪几种方法？答：系统误差是指在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。
…2.服从正态分布规律的随机误差有哪些特性?答：服从正态分布规律的随机误差的特性有：对称性 随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的机会相等。
常用传感器的工作原理及应用
第3章常用传感器的工作原理及应用3．1电阻式传感器填空：1、常用的电阻应变片分为两大类：和。
2、金属电阻的是金属电阻应变片工作的物理基础。
3、金属电阻应变片有、及等结构形式。
4、电位器式传感器都是由、和三部分构成。
5、半导体应变片是利用半导体材料制成的一种纯电阻性元件。
6、半导体应变片与金属电阻应变片相比较: 其灵敏度更高，温度稳定性差。
7、弹性元件在传感器中起什么作用？8、试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。
9、绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。
10、电阻应变片阻值为120Ω，灵敏系数K＝2，沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆μ=。
求钢柱受10t拉力作用时，应形钢柱表面，钢材的112E N m210=⨯，0.3变片的相对变化量。
又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？11、采用阻值为120Ω、灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。
当应变片上的应变分别为1με和1000με时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。
3.2电容式传感器1、电容式传感器采用作为传感元件，将不同的变化转换为的变化。
2、根据工作原理的不同，电容式传感器可分为、和三种。
3、电容式传感器常用的转换电路有：、、运算放大器电路、 和 等 。
4、电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。
5、试分析电容式物位传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题？6、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征？7、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。
传感器的起始电容量pF C x 200=，定动极板距离mm d 5.10=，pF C 100=，运算放大器为理想放大器（即∞→∞→i Z K ，），f R 极大，输入电压t u i ωsin 5=V 。
电容式传感器的检测方法及测试原理
电容式传感器的检测方法及测试原理电容式传感器一般是将被测量的变化量转换为电容量的变化。
目前，基于这种原理的各种类型的传感器已在测量加速度、液位、几何孔径等方面得到了广泛的应用。
但以电容为变化量的传感器（尤其是MEMS传感器），其电容变化范同往往只有几个pF，甚至几个fF。
这便对电容检测的精度提出了很高的要求，尤其是在传感器的研发过程中，往往需要极高精度的电容检测设备对传感器进行测试与调校。
但是一直以来国内外都缺乏能够对微小电容进行实时检测的专用仪器，普遍的做法是针对所研发的传感器自行设计、制做专门的电容检测电路，这无疑增加了传感器设计的难度与工作量。
针对这一问题，我们设计了通用的电容式传感器检测系统。
该系统能够对微小电容进行实时检测，并可以通过上位机实现实时显示、存储等功能。
1 总体设计电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ASIC芯片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量等。
从技术难度、测量精度等多方面考虑，本系统采用集成电容检测芯片来完成对电容式传感器的检测。
系统结构框图如图1所示。
电容检测芯片选用Irvine Sensor公司的MS3110。
MS3110将电容量转换为电压量输出（量程为0～10 pF）。
单片机MSP430F149集成的12位A／D转换器对输出电压进行采样，并通过I／O端口对MS3110内部寄存器进行设置。
数据经采样后通过串口传送到上位机进行处理、实时显示、存储等。
上位机由普通微机构成。
2 系统硬件设计2．1 MS3110简介及寄存器设置MS3110是Irvine Sensor公司生产的具有极低噪声的通用电容检测芯片。
它采用CMOS工艺，工作电压为+5 V，测量灵敏度为，集成的补偿电容等参数均可以通过寄存器控制。
其基本测量原理为：对被测电容与参考电容同时以相反时序充放电，通过电流积分、低通滤波、放大等将被测电容与参考电容差值转换为电压输出。
3.1 电位器式传感器
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 电位器式传感器 电阻应变式传感器 电感式传感器 电容式传感器 热电偶传感器 热电阻传感器 压电传感器 超声波传感器 振弦式传感器
机械工业出版社
第3章 非电量的电测技术
3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 光电式传感器 激光式传感器 光纤传感器 红外式传感器 热敏传感器 霍尔式传感器 气敏传感器
和 式中， I 为导线中的电流。
October 30, 2015
2(b h) kR At
2(b h) kU I At
电气测试技术
机械工业出版社
• 实际上绕线线性电位器的变换是一匝一匝进行的，电刷每 R）， 移过一匝，输出电压（或电阻）产生一个增量 U（ 其值为： U max U N • 由此可见，绕线线性电位器传感器的输入输出特性不是线 性的，而是一条阶梯特性曲线。其理想阶梯特性曲线见图 3-3。 • 由图3-3可求出绕线线性电位器传感器的电压分辨率 k B， 其定义为：在工作行程内电位器产生一个可测得出的输出 电压变化量与最大输出电压之比的百分数，即： U max U 1 N kB 100% 100% 100% U max 图3-3 绕线线性电位器传感器理想阶梯特性曲线 U max N
• 上面研究的是线性电位器的空载特性。实际上，由于负载 电阻 Rl ，当传感器带负载时的工作特性称为负载特 性。由于负载效应的存在，传感器的负载特性与理想空载 特性之间存在着偏差称为负载误差。负载误差与负载电阻Rl 的大小有关，负载电阻 Rl 愈大，负载误差愈小，反之亦然。
October 30, 2015
电气测试技术
《传感器原理与应用》3.1 电参量型-电阻式
☫ 用于直接测量温度或可以转换为温度测量的其他物理量的 测量，如热敏电阻体温表、热导式气体成分分析仪等。
2020/7/4
38
热电阻传感器
(3) 热电阻传感器的结构
☻ 热电阻主要由感温元件（电阻体）、内引线、保护管三
部分构成。
电阻体
不锈钢套管
安装固定件 接线盒
绝缘套筒
引线口
图3.21 工业热电阻的基本结构
2020/7/4
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电阻应变式传感器的测力应用
2020/7/4
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应用案例(1)：应变式压力传感器
膜片
压力
弹性梁 应变片
图3.16 应变式压力传感器
2020/7/4
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电子秤
2020/7/4
磅秤
超市打印秤
26
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
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人体秤
2020/7/4
28
传统传感器原理 及应用
Traditional Transducers
传统传感器
电参量型传感器 电量型传感器
2020/7/4
2
电参量型传感器
电参量型传感器是输出为电路参数，即电阻、电 感(自感) 和电容的传感器的总称，即将被测物理 量变化转换为电参数的变化，再配以适当的转换 电路，将输出的电参数转变为电量输出。
① 正温度系数(PTC)
✿
PTC型主要用于过热保护，定温控电阻/Ω
制，或作限流元件使用。
106
负温度系数
(NTC) 临界温度系数
② 负温度系数(NTC)
(CTR)
✿NTC型具有很高的负温度系数和较大 104
3.4 电容式传感器
位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。
击穿电压:使电介质击穿的电压。电介质在足够 强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称 为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。
19
表1 电介质材料的相对介电常数
20
平板式变面积型
b
△a
a
S ab C0 d d
a a b ab C a ab C 0 d d d a
电容式传感器可分为变极距型、变面积型和 S 变介电常数型三种。
δ ε
5
分类示意图
+
a) 极距变化型;
+ +
C
S
d
0 r S
d
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.
+ + + + + +
c) 变介电常数型
6
变极距(δ）型: (a)、(e)
变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l)
35
2. 设计要点
①
减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保 证绝缘材料的绝缘性能； 消除和减小边缘效应；
② ③ ④ ⑤
消除和减小寄生电容的影响，防止
和减少外界干扰； 尽可能采用差动式电容传感器。
低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应。
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（1）减小温度误差、保证高的绝缘性能
选材、结构、加工工艺：
22
可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成 非线性关系，当|Δd/d|<<1时可略去高次项，得到近似的 线性关系：