6电容式传感器习题及解答
第6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+C2
C. C1+C2/C1-C2
D. ΔC1/C1+ΔC2/C2
3、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（）。
A. 成正比
B. 平方成正比
C. 成反比
D. 平方成反比
2、变间隙式电容传感器测量位移量时，传感器的灵敏度随（）而增大。
A. 间隙的减小
B. 间隙的增大
C. 电流的增大
D. 电压的增大
3、电容式传感器中输入量与输出量关系为线性的有( )
A.变面积型电容传感器
B.变介质型电容传感器
C.变电荷型电容传感器
D.变极距型电容传感器
4、电容式传感器信号转换电路中，（）用于单个电容量变化的测量
A．调频电路B．运算放大电路
C．二极管双T型交流电桥D．脉冲宽度调制电路
5、电容式传感器信号转换电路中，（）用于差动电容量变化的测量
A．调频电路B．运算放大电路
C．二极管双T型交流电桥D．脉冲宽度调制电路
三、填空题
1、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为的变化来实现对物理量的测量。
2、电容式传感器根据其工作原理的不同可分为电容式传感器、
电容式传感器和电容式传感器。
3、变极距型电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的。
4、变极距型电容式传感器单位输入位移所引起的灵敏度与两极板初始间距成关系。
5、差动脉冲宽度调制电路适用于型和差动电容传感器，且为线性特性。
6、电容式传感器中，变介电常数式多用于的测量；电容式传感器中，变面积式常用于较大的的测量。
7、变间距电容传感器的灵敏度与成反比，所以适合于微小位移的测量。变面积式电容传感器的灵敏度与成正比，所以不适合微小位移的测量。
8、电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的。
9、电容式传感器利用了将的变化转化为的变化来实现对物理量的测量。
10、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）外是线性的。
11、电容式传感器将非电量变化转换为的变化来实现对物理量的测量，广泛应用与、、角度、等机械量的精密测量。
12、电容式传感器可分为、
和的变介质型3种。
13、移动电容式传感器动极板，导致两极板有效覆盖面积A发生变化时，将导致电容量变化，
与动极板水平位移成关系、与动极板角位移成关系。传感器电容改变量C
14、忽略边缘效应，变面积型电容式传感器输入量与输出量的关系为（线性、非线性），变介质型电容式传感器输入量与输出量的关系为（线性、非线性），变极距型电容式传感器输入量与输出量的关系为（线性、非线性）。
15、变极距型电容传感器做成差动结构后，灵敏度提高了倍，而非线性误差转化为
关系而得以大大降低。
16、电容式传感器信号转换电路中，和用于单个电容量变化的测量，和用于差动电容量变化的测量。
四、简答题
1、根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？
2、如何改善单极式变极距电容传感器的非线性？
3、电容式传感器有哪几种类型？差动结构的电容传感器有什么优点？
4、电容式传感器主要有哪几种类型的信号调节电路？各有些什么特点？
5、简述电容式传感器的工作原理与分类。
6、影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些？提高其灵敏度可以采取哪些措施，带来什么后果？
7、下图左是电容式差压传感器，金属膜片与两盘构成差动电容C1、C2 ,两边压力分别为P1、P2。下图右为二极管双T型电路，电路中电容是左图中差动电容，UE电源是占空比为50%的方波。试分析：
（1）、当两边压力相等P1=P2时负载电阻RL上的电压U0值；
（2）、当P1>P2时负载电阻RL上电压U0大小和方向（正负）。
8、简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理？
9、根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？ 10、总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合以及使用中应注意的问题 11、为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？
12、简述电容式加速度传感器的工作原理（要有必要的公式推导）
13、简述变极距型电容传感器的工作原理（要求给出必要的公式推导过程）。 14、根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？ 15、试推导差动变极距型电容式传感器的灵敏度，并与单极式相比较。
16、电容式传感器的基本工作原理是什么？根据其基本原理说明它的分类并分别举例说明其应用（要求每种类型至少例出一项应用）。
17、试分析圆筒型电容式传感器测量液面高度的基本原理。
五、计算题
1、已知变面积型电容传感器的两极板间距离为10mm ，ε=50μF/m ，两极板几何尺寸一样，为30mm ×20mm ×5mm,在外力作用下，其中动极板在原位置上向外移动了10mm ，试求△C=？ K=？
2、当差动式极距变化型的电容传感器动极板相对于定极板位移了 △d=0.75mm 时，若初始电容量C 1=C 2=80pF ，初始距离d=4mm ，试计算其非线性误差。若将差动电容改为单只平板电容，初始值不变，其非线性误差有多大？
3、一个圆形平板电容式传感器，其极板半径为5mm ，工作初始间隙为0.3mm
，空气介质，所
1—固定电极；
2—绝缘垫；3—质量块；4—弹簧；5—输出端；6—壳体
采用的测量电路的灵敏度为100mV/pF,读数仪表灵敏度为5格/mV 。如果工作时传感器的间隙产生2μm 的变化量，则读数仪表的指示值变化多少格？
4、一个用于位移测量的电容式传感器，两个极板是边长为5cm 的正方形，间距为1mm ，气隙中恰好放置一个边长5cm 、厚度1mm 、相对介电常数为4的正方形介质板，该介质板可在气隙中自由滑动。试计算当输入位移（即介质板向某一方向移出极板相互覆盖部分的距离）分别为0.0cm 、2.5cm 、5.0cm 时，该传感器的输出电容值各为多少？
5、如图为电容式传感器的双T 电桥测量电路，已知Ω===k R R R 4021，Ω=k R L 20，V E 10=，MHz f 1=，pF C 100=，pF C 101=，pF C 11=?。求L U 的表达式及对应上述已知参数的L
U 值。
6、有一台变极距非接触式电容测微仪，其极板间的极限半径r=4mm ，假设与被测工件的初始间隙δ=03mm ，试求：
1) 若极板与工件的间隙变化量Δδ=±10μm 时，电容变化量为多少? 2) 若测量电路的灵敏度K=100mV/pF ，则在Δδ=±1μm 时的输出电压为多少?
7、已知两极板电容传感器，其极板面积为A ，两极板间介质为空气，极板间距1mm ，当极距减少0.1mm 时，其电容变化量和传感器的灵敏度？若参数不变，将其改为差动结构，当极距变化0.1mm 时，求其电容变化量和传感器的灵敏度？并说明差动传感器为什么能提高灵敏度和减少线性误差。
8、极板间距式电容式传感器，极板半径r=4mm ，间隙δ=0.5mm ，极板介质为空气，试求其静态灵敏度。若极板移动，求其电容变化。
9、有一台变间隙非接触式电容测微仪，其传感器的极板半径r=5mm ，假设与被测工件的初始间隙d 0=0.5mm 。已知试真空的介电常数等于8.854×10-12
F/m ，求： （1）如果传感器与工件的间隙变化量增大△d=10μm ，电容变化量为多少？
（2）如果测量电路的灵敏度Ku=100mV/pF,则在间隙增大△d=1μm 时的输出电压为多少？ 10、有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器（见下图）。其中
a=16mm,b=24mm,两极板间距为4mm 。一块极板分别沿长度和宽度方向在原始位置上平移了5mm ，求：
（1）极板未移动时，电容的初始电容值。
（2）极板沿不同方向移动时，传感器的位移灵敏度K （已知空气相对介电常数1ε=，真空的介电常数F/m 10
8548ε12
0-?=.）。
11、有一只变极距电容传感元件，二极板重迭有效面积为4
2
810m -?，两极板间的距离为1mm ，已知空气的相对介电常数是1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。
12、变间距(d)型平板电容传感器，当mm d 10=时，若要求测量线性度为0.1%。求；允许间距测量最大变化量是多少?
六、综合分析设计题
1、已知：差动式电容传感器的初始电容pF C C 10021==，交流信号源电压有效值
V U 6=，频率kHZ f 100=。求：
（1）在满足有最高输出电压灵敏度条件下设计交流不平衡电桥电路，并画出电路原理图； （2）计算另外两个桥臂的匹配阻抗值；
（3）当传感器电容变化旦为pF 10±时，求桥路输出电压。
2、如图为二极管环形检波测量电路。1C 和2C 为差动式电容传感器，3C 为滤波电容，L R 为负载电阻，0R 为限流电阻，P U 为正弦波信号源。设L R 很大，并且13C C >>，23C C >>。 (1)试分析此电路工作原理；
(2)画出输出端电压AB U 在212121C C C C C C <>=、、三种情况下波形； (3)推导),(21C C f U AB =的数学表达式。
第6章电容式传感器
一、单项选择题
1、B
2、B
3、D
4、B
5、C
6、D
7、B
8、D
9、B 10、D 11、B 12、A
二、多项选择题
1、ABCD
2、ABCD
3、AB
4、AB
5、CD
三、填空题
1、电容量
2、变极距型；变面积型；变介质型
3、电容相对变化量
4、反比
5、变极板距离；变面积型
6、液位；位移量
7、电容极板初始距离；位移量
8、电容相对变化量 9、非电量；电容量10、②变极距型
11、电容量；位移；振动；加速度
12、变极板间距离的变极距型；变极板覆盖面积的变面积型；变介质介电常数
13、线性；线性14、线性；线性；非线性15、1；平方
16、调频电路；运算放大电路；二极管双T型交流电桥；脉冲宽度调制电路
四、简答题
1、答：根据电容式传感器的工作原理，可将其分为3种：变极板间距的变极距型、变极板覆盖面积的变面积型和变介质介电常数的变介质型。
变极板间距型电容式传感器的特点是电容量与极板间距成反比，适合测量位移量。
变极板覆盖面积型电容传感器的特点是电容量与面积改变量成正比，适合测量线位移和角位移。
变介质型电容传感器的特点是利用不同介质的介电常数各不相同，通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过电容式传感器的电容量的变化反映出来。适合于介质的介电常数发生改变的场合。
2、答：单极式变极距电容传感器的灵敏度和非线性对极板初始间隙的要求是相反的，要改善其非线性，要求应增大初始间隙，但这样会造成灵敏度的下降，因此通常采用差动结构来改善非线性。
3、答：电容式传感器其分为3种：变极板间距的变极距型、变极板覆盖面积的变面积型和变介质介电常数的变介质型。
差动结构的电容传感器的优点是灵敏度得到提高，非线性误差大大降低。
4、答：电容式传感器的电容值及电容变化值都十分微小，因此必须借助于信号调节电路才能将其微小的电容值转换成与其成正比的电压、电流或频率，从而实现显示、记录和传输。
相应的转换电路有调频电路、运算放大器、二极管双T 型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
调频电路的特点：灵敏度高，可测量0.01μm 级位移变化量；抗干扰能力强；特性稳定；能取得高电平的直流信号（伏特级），易于用数字仪器测量和与计算机通讯。
运算放大器的特点：能够克服变极距型电容式传感器的非线性，使其输出电压与输入位移间存在线性关系。
二极管双T 型交流电桥的特点：线路简单，不须附加相敏整流电路，便可直接得到较高的直流输出电压（因为电源频率f 很高）。
脉冲宽度调制电路的特点：适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。
5、答：电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。
当被测参数变化引起A 、εr 或d 变化时，将导致电容量C 随之发生变化。在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过策略电路转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为3种：变极板间距离的变极距型、变极板覆盖面积大变面积型和变介质介电常数的变介质型。 6、答：极距变化型电容传感器的灵敏度00
C/C 1
K=
d d ?=?，可见单位输入位移所引起的输出电容量相对变化（灵敏度）与d 0成反比关系。
要提高灵敏度，应减小初始间隙d 0，但这使得非线性误差增大，即灵敏度和非线性误差对d 0的要求是矛盾的。在实际应用中，为了既提高灵敏度，又减小非线性误差，通常采用岔洞结构。 7、答： ①U0=0
②U0=UfM（C1-C2）因为 C1〈 C2所以 U0〈 0 ，输出负电压。 8、答：
平板电容器的结构
电容式传感器测量厚度原理图
电容式厚度传感器用于测量金属带材在轧制过程中的厚度，原理如图所示。在被测带材的上下两边各放一块面积相等、与带材中心等距离的极板，这样，极板与带材就构成两个电容器（带材也作为一个极板）。用导线将两个极板连接起来作为一个极板，带材作为电容器的另一极，此时，相当于两个电容并联，其总电容C=C1+C2。
金属带材在轧制过程中不断前行，如果带材厚度有变化，将导致它与上下两个极板间的距离发生变化，从而引起电容量的变化。将总电容量作为交流电桥的一个臂，电容的变化将使得电桥产生不平衡输出，从而实现对带材厚度的检测。
9、答：原理：由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为C=εS/D 式中ε为两个极板间介质的介电常数，S为两个极板对有效面积，D为两个极板间的距离。由此式知，改变电容C的方法有三：
其一为改变介质的介电常数；
其二为改变形成电容的有效面积；
其三为改变各极板间的距离；
而得到的电参数的输出为电容值的增量这就组成了电容式传感器。
类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。
电容传感器的应用：
可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。
10、答：
①优点：a温度稳定性好
b结构简单、适应性强
c动响应好
②缺点：a可以实现非接触测量，具有平均效应
b输出阻抗高、负载能力差
c寄生电容影响大
③输出特性非线性：
电容传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。
使用时要注意保护绝缘材料的的绝缘性能；消除和减小边缘效应；消除和减小寄生电容的影响；防止和减小外界的干扰。
11、答：
(1)传感器两极板之间的电容很小，仅几十个μμF，小的甚至只有几个μμF。
(2)而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容，如屏蔽线的电容最小的l 米也有几个μμF ，最大的可达上百个μμF 。这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低，更严重的是电缆本身放置的位置和形状不同，或因振动等原因，都会引起电缆本身电容的较大变化，使输出不真实，给测量带来误差。
(3)解决的办法，一种方法是利用集成电路，使放大测量电路小型化，把它放在传感器内部，这样传输导线输出是直流电压信号，不受分布电容的影响;
(4)另一种方法是采用双屏蔽传输电缆，适当降低分布电容的影响。由于电缆分布电容对传感器的影响，使电容式传感器的应用受到一定的限制。
12、答：当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止。两个固定电极与动极板的距离发生变化，一个增加，一个减小，从而使C 1、C 2产生大小相等、符号相反的增量C ?,且有：0120021/)(2//)(d d d C C C C C -≈?=- 根据位移S 与加速度a 的关系有: 2
5.0at d S =?= 因此，有02
0120//)(2/d at d d d C C =-≈?
所以，输出电容变化量正比于被测加速度大小。 13、答：当传感器的ε
r 和
S 为常数，初始极距为d 0时，其初始电容量C 0为
00d S
C r εε=
（1）
若电容器极板间距离由初始值d 0缩小了Δd ，电容量增大了ΔC ，则有
2
00000000111???
?
???-???? ???+=?-=?-=?+=d d d d C d d C d d S C C C r εε （2） 由（2）式可知，传感器的输出是非线性的
若Δd /d 0<<1时，1-(Δd /d 0)2≈1，则式（2）可简化为
0d d
C C C ?+= 此时C 与Δd 近似呈线性关系。
所以，在Δd /d 0很小时，变极距型电容式传感器的输出（电容）与输入（位移）有近似的线性关系。
14、答：由物理学知，两个平行金属极板组成的电容器。如果不考虑其边缘效应，其电容为
A
C d
ε?=
,式中ε为两个极板间介质的介电常数，A 为两个极板对有效面积，d 为两个极板
间的距离。由此式知，改变电容C 的方法有三：①为改变介质的介电常数；②为改变形成电容的有效面积；③为改变各极板间的距离。而得到的电参数的输出为电容值的增量，这就组成了电容式传感器。因此，它的类型有：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介质型电容传感器。
电容传感器的可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。 15、答：设在初始状态下，动极板位于两块定极板中间位置，则：
021d d d ==，0
021d A
C C C ε=
==
当动极板受被测量作用，其位置发生改变，设动极板向上移动了d ?，则：
d
d A
C C C ?-=
?+=0101ε，d
d A
C C C ?+=
?-=0202ε
∴2121C C C C C -=?+?=?
2
00)
(11
2d d d d
C d
d A
d
d A
?-??=?+-
?-=
εε 当0d d <
2d d C C ?≈? ∴灵敏度为：0
01
2d C d C K =??=
由此可见，与单极式相比，其灵敏度提高了一倍（单极式为0
d C d C K =??=
）。 16、答：电容式传感器是利用将被测非电量的变化转换为电容量的变化的原理来实现对物理量的测量。根据d
A
C ε=
，当被测参数变化引起ε、A 或d 变化时，将导致电容量C 随之发
生变化。在实际应用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，再通过测量电路转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为三类：变极距型（如测线位移）、变面积型（如测角位移）和变介质型（如测液位）。
17、答：当初始状态时，液面高度0=h ，则 r
R l
C ln 210πε=
当被测液面高度为h 时，则 r R h
h l r R h r R h l C ln 222ln 2ln )(221121πεπεπεπεπε+-=
+-=
h r
R C r R h r R l ln )(2ln )(2ln 2120121εεπεεππε-+=-+=
∴ h r
R C C C ln )
(2120εεπ-=
-=?
∴ 由此可见，电容变化量C ?与液面高度h 成正比，只要将电容变化量检测出来，就可间接获得被测液面高度。
五、计算题 1、解：120r 0A
C=
8.85410F/m d
εεε-??=?，
660r 03
A
5010301010C=
1.5F d 1010εεεμ---????????=?=?
C/C K=
x
?? 660r 003
A
5010302010C =
3F d 1010
εεεμ---??????=?=? 3
1.5/3
K=
501010
-=? 2、解：差动变极距型电容传感器非线性误差：
2
2
0d 0.75100%()100% 3.5%d 4
δ?=
?=?= 单只平板电容，其非线性误差为：
0d 0.75100%100%18.75%d 4
δ?=
?=?=
3、解：1260r 0
6
A 8.854102510C 141pF d 210εεπ---???????=
==??
mV
141pF 100
14100mV pF
?= N 14100570500=?=格
4、解：（1）0.0cm 时：
124
-110r 03
A
8.8541045510C =
8.85410F d 110
εε---???????==?? （2）2.5cm 时：
124-11
13
8.8541045 2.510C = 4.42710F 110---?????=?? 124
-1123
8.8541015 2.510C =1.10710F 110---?????=?? 1112C=C C 5.53410F -+=?
（3）5.0cm 时：
124-110r 03
A
8.854105510C =
2.2110F d 110
εε---??????==?? 5、解：
)(01C C EfM U L -=
L L L R R R R R R M 2
)()
2(++=
∴C Ef R R R R R R U L L L L ?±++=
2
)
()
2( ∴
V U L 18.0)101(10101020)2040()20240(4012
632
=??????+?+±
=-
6、解：1）0r 00
A
C =
d εε??
12260r 6
A
8.85410410C=
44.48pF d 1010
εεπ---???????==??
2）d 1m μ?=±时，输出电容变化为444.8pF
1226
1203
8.85410410C =1.4810F=1.48pF 0.310π----????=?? 0C=C C=1.48444.8±?± 1U C K=446.2810044.6V =??= 2U C K=-442.3210044.2V =??=-
7、解：（1）0r 0A
A
C=
d 1mm
εεε??=
0r 0A A
C=d 0.1mm εεε????=
? 50C /C 10K 110d 0.1mm
?===??
（2）差动0r A C=2d εε????，50
C /C K 210d
?==??
（3）差动3
03
0C /C 22K 210d d 110
-?=
===??? 2
2
0d 0.1
100%100%1%d 1
δ?=?=?=
8、解：（1）掌握电容式传感器原理，写出电容的表达式。
（2)掌握静态灵敏度的概念，列出电容式传感器灵敏度的计算公式。
(3)带入给定参数计算
Δc=s×Δδ=2.847×10-7
×2×10-3
=5.694×10-10
(F) 9、解：① 电容式传感器的电容量：d
A
C r 0εε=
则初始电容量：39pF .15
.010*********.8d A
C 3
-6120
r 00=?????==
-πεε
间隙变化后的电容量：36pF .110
50010251010854.8d d A
C'6-6120r 0=+?????=?+=
-πεε 则电容变化量：0.03pF 1.36-39.1'C C C 0==-=? ② 灵敏度pF mV
100
C U K O U =?=，所以pF
mV 100C U O ??= 则：
78mV .2100)501
15001(
10251010854.8100)d
d 1d 1(
A U 66-1200r 0O =?-??????=?+-=-πεε
10、解：（1）
d
A
C r ??=
εε00
3
3
312104104210611108.854----???????=
0.85(PF)= （2）当一块极板沿长度方向在原始位置上平移时，有：
b b
C C ?=?01
当一块极板沿宽度方向在原始位置上平移时，有：
a a
C C ?=?02
(F /m)103.5421024100.85b C Δb ΔC k 11
3
12011---?=??===∴
或：
)(m 671410241b 1Δb C ΔC k 1
-3
011./=?===
-
(F /m)100.531251061100.85a C Δa ΔC k 10
3
12022---?=??===
或：
)(m 52610611
a 1Δa C ΔC k 1-3
022./=?===
-
11、解：由000
r A
C d εε=
得：
00200
r dC A
dd d εε=-，代入已知数据得：
124
0320108.8510 1.0006810(110)7010/7/dC dd F m nF m
----????=-
?=-?=- 12、解：当变间距平板型电容传感器的
1<
时，其线性度表达式为 %100)(??=d
d
L δ
由题意故得%1.0%100)1
(=??d
，即测量允许变化量mm d 001.0=?。
六、综合分析设计题
1、解：(1)根据交流电桥电压灵敏度曲线可知，当桥臂比A 的模1=a ，相角
90=θ时，桥路输出电压灵敏度系数有最大值5.0=m k ，按此设计的交流不平衡电桥如图所示。
要满足1=a ，则jwC
R 1=
。当
90=θ时要选择为电容和电阻元件。
（2）Ω=??===
-k fC jwC R 9.15101021
21110
5ππ （3）交流电桥输出信号电压根据差动测量原理及桥压公式得
V U C C k U m
SC 6.06100
10
5.022±=?±??=???= 2、解：(1)工作原理：p U 为交流信号源，在正、负半周内电流的流程如下 正半周：
点
点点）点（点）（、点B R E D C F I B A R C D C F L →→→→→→→→→0321311
负半周：
点
点点）点（点、点F C D E R B I F C D A R C B L →→→→→→→→→→1402223
由以上分析可知：在一个周期内，流经负载L R 的电流1I 与1C 有关，2I 与2C 有关。因此每个周期内流过负载电流是21I I +的平均值，并随1C 和2C 而变化。输出电压AB U 可以反映
1C 和2C 的大小。
(2) 输出端电压AB U 在212121C C C C C C <>=、、三种情况下波形如下图所示
（3）P U C j I 11?=
因13C C >>、23C C >>，3C 阻抗可忽略 则 P U C j I 22?=
AB AB Z I I U )(21+=
3
3
211
1)(C j R C j R U C C j L L P ???+
?
?-=
L R 很大，所以分母
31
C j ?可忽略 P
L L P U C C C R C j R U C C j 3
2
13211)(-=?
?-=??
输出电压平均值P AB U C C C K
U 3
2
1-=
K为滤波系数
传感器习题第5章 电容式传感器
第5章 电容式传感器（P99） 5－3 图5—7为电容式液位计测量原理图。请为该测量装置设计匹配的测量电路，要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系。 图5-7 解： 电容式液位计的电容值为：d D n h C C 1)(210εεπ-+ =，其中d D n H C 120πε=。 可见C 与液面高度h 呈线性关系。 可以看出，该结构不宜做成差动形式，所以不宜采用二极管双T 形交流电桥，也不宜采用脉冲宽度调制电路。另外要求输出电压0U 与液位h 之间呈线性关系，所以不宜采用调频电路和运算放大器式电路。 可以采用环形二极管充放电法，具体电路如图所示。可将直流电流表改为直流电压表与负载电阻R 的并联，R 上的电压为0U ，则有： )(0d x C C E Rf RI U -?== 其中，C x 为电容式液位计的电容值，f 为方波的频率，ΔE =E 2-E 1为方波的幅值，C d 为平衡电容传感器初始电容的调零电容。当h=0时调节 d D n H C C d 120πε==，则输出电压0U 与 液位h 之间呈线性关系。 5－5 题5—5图为电容式传感器的双T 电桥测量电路，已知Ω== =k R R R 4021， d D n h C C 1) (210εεπ-+ =环形二极管电容测量电路原理图 E V R
Ω=k R L 20，V e 10=，MHz f 1=，pF C 100=，pF C 101=，pF C 11=?。求L U 的 表达式及对于上述已知参数的L U 值。 解： ()() V C C Uf R R R R R R U L L L L 18.010110110202040) 20240(40)()() 2(1262 012 =??????+?+?= -?++=- 5－8 题5—8图为二极管环形电桥检波测量电路，p U 为恒压信号源，1C 和2C 是差动式电容传感器，0C 是固定电容，其值10C C >>，20C C >>，设二极管41~D D V V 正向电阻为零，反向电阻为无穷大，信号输出经低通滤波器取出直流信号AB e 。要求： ① 分析检波电路测量原理； ② 求桥路输出信号()21,C C f e AB =的表达式； ③ 画出桥路中A U 、B U 、AB e 在21C C =、21C C >、21C C <三种情况下的波形图（提 示：画出p U 正负半周的等效电路图，并标出工作电流即可求出AB e 的表达式）。 解： 等效电路为： U p t 题5—8图
压力传感器原理及应用-称重技术
压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电 信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。 压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感 器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器，光纤压力传感器等。 一、压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片 受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。 压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 1、压阻式压力传感器基本介绍 压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为半导体应变片，因此 应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩 散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。 半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。半导体应变片与金属应变片相比，最 突出的优点是它的体积小而灵敏高。它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大 即可直接进行测量记录。此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽， 从静态应变至高频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结 合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。但是半导体应变片也存 在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大它的应变 —电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等等。 扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。 利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本 型式。 硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。硅膜片是核心部分，其外形状象杯故名硅杯，在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥 再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发 生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。
传感器与检测技术课后答案
第一章课后习题答案 1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？ 解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？ 解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。 （2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统 ①MEMS技术要求研制微型传感器。如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。 ②研制仿生传感器 ③研制海洋探测用传感器 ④研制成分分析用传感器 ⑤研制微弱信号检测传感器 （3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。它们的特点是传感器与微型计算机有机结合，构成智能传感器。系统功能最大程度地用软件实现。 （4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。 （5）多功能与多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。 3．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？ 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。 1）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度； 2）传感器的灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx 的比值； 3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象；
传感器及测试技术复习题及答案
1、求周期信号x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-45)通过传递函数为H(s)=1/(0.005s+1)的装置后得 到的稳态响应。 2、进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/MPa，将它与增益 为0.005V/nC的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V。试计算这个测量系统的总灵敏度。当压力变化为3.5MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？ 解：若不考虑负载效应，则各装置串联后总的灵敏度等于各装置灵敏度相乘，即 3、用一个时间常数为0.35s的一阶装置去测量周期分别为1s、2s、和5s的正弦信号，问幅 值误差是多少？
4、想用一个一阶系统做100Hz正弦信号的测量，如要求限制振幅误差在5%以，那么时间 常数应取为多少？若用该系统测量50Hz正弦信号，问此时的振幅误差和相位差是多少？
5、设某力传感器可作为二阶振荡系统处理。已知传感器的固有频率为800Hz，阻尼比 ξ=0.14，问使用该传感器做频率为400Hz的正弦测试时,其幅值比A(ω)和相角差φ(ω)各为多少? 6、一台精度等级为0.5级、量程围600～1200 C的温度传感器,它最大允许绝对误差是多少? 检验时某点的温度绝对误差是4 C,问此表是否合格? 7、若一阶传感器的时间常数为0.01s,传感器响应幅值误差在10%围,此时最高值为0.5,试求 此时输入信号和工作频率围?
8、某力传感器为一典型的二阶振荡系统,已知该传感器的自振频率=1000Hz,阻尼比ξ=0.7,试 求用它测量频率为600Hz的正弦交变力时,其输出与输入幅值比A(ω)和相位差φ(ω)各为多少? 9、一个理想测试系统，其幅频特性和相频特性应具有什么特点，并用频响特性曲线表示。解：理想测试系统中其幅频特性应为常数，相频特性应为直线(线性)。
传感器电容式湿度传感器的应用重点
题目传感器电容式湿度传感器的应用 姓名 学号 系（院）_电子电气工程学院_ 班级 目录 前言 (3) 1. 绪论 (1) 1.1电容式传感器的工作原理 (1)
1.2电容式传感器的特点 . (4) 2. 系统设计 (6) 2.1硬件电路设计 (6) 2.2 湿敏电容器的特性 (8) 2.3 电容式传感器数据处理 (8) 2.4测试结果 (8) 结论 (10) 参考文献 (11) 淄博职业学院 前言 人类的生存和社会活动与湿度密切相关，随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。在电子科学技术日益发达的今天, 人类对自身的生活环境及工作环境要求越来越高。湿度的监测与控制在国民经济各个部门，如国防、科研、煤炭开采和井下监测以及人生活等诸多领域有着非常广泛的应用。众所周知, 湿度的测量较复杂，而对湿度进行控制更不易。人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代工作条件和环境的要求。为此，人们研制了各种湿度传感器，其中电阻和电容型湿度传感器以其测量范围宽, 响应速度快, 测量精度高, 稳定性好, 体积小, 重量轻，制造工艺简单等显示出极大的优越性, 在实际中得到了广泛应用。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同。其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远。湿度是一个重要的物理量，航天航空，计量等许多环境中需要在高温下进行湿度的测量，很多行业中，如发电、纺织食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿度参量的要求都非常严格，目前，在低温条件下，（通常是指100℃以下），湿度
测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业，另外有许多以行业需要在高温环境下测量湿度，如航天航空、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高炉等场合，这时，湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想，另外，在恶劣的环境下工作，例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业化气体时，将使精度大大下降。然而，随着科技的进步，人们对湿度的测量设备进行了越来越深层的研究，本文就以电容型湿度传感器进行阐述。 1. 绪论 1.1电容式传感器的工作原理 电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。 这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使S 、d 或ε任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成了由被测量到电容量的转换。当式中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度制电路、运算放大器电路、二极管双T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。调频电路实际是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。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。
传感器习题答案
1-7 已知某温度计测量范围0～200℃，检测测试其最大误差 4max =?Y ℃，求其满度相对误差，并根据精度等级标准判断精度等级。 解：Y FS =200-0=200 由A=ΔA/Y FS ＊100％有 A ＝4/200＊100％＝2％。 精度特级为2.5级。 1-11:解：（1）切线法： 1 2 1 1 ,02 1 2/1)0()1(21 21 +===+===+?=-x y y x b x y x dx dy x dx dy 则当设 线性度： %1.10%10025 .0,02525.0,5.00 21 )1(21)0() 12 1 (1.max .max 21=??= =-=?=<-+=?>+-+=?-S F L S F Y y Y y x x dx y d x x x y δ则时， 端基法：
1 )26(2 62 3,5.0+-=-===x y k y x 则则 线性度： % 526.2,1067596.50, 2373.022474.05.0)26(]1)26[(13max .=?=?=?==?-=+--+=?-L S F y dx y d x Y x x y δ求导得：同理： 最小二乘法：设y=kx+b 61237 .047328.034205.021909.010488.0025.016.009.004.001.002247 .11832.11401.10954.10488.115.04.03.02.01.002xy x y x 9945 .04835.0:9945.0) (64835 .0) (6625 .2)(55.0,75167.16922.6,5.12 2 2 2 2 2 2 +==-?-?= =--?======∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑x y x x xy x y x a x x y x xy k x x xy y x 求得则 线性度：% 50.210063.60694.0) 9945.04835.0(13 =?=?=+-+=?-L y x x x y δ时，同理求得： 1-12:解：
压力传感器的分类及应用原理
压力传感器的分类及应用原理 教程来源：网络作者：未知点击：28 更新时间：2009-2-16 10:11:30 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用 1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情2、陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一
第六章 传感器测试题
第六章传感器测试题 一、选择题 1．关于各种材料的电阻率，下列说法正确的是( ) A．纯金属的电阻率较合金的电阻率小 B．把一根长导线截成两段，每段的电阻率是原来的1/2 C．任何材料的电阻率在任何条件下都不可能为零 D．任何材料的电阻率都随温度的升高而增大 2．有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小，则这种元件可能( ) A．金属导体B．绝缘体 C．半导体D．超导体 3．如图所示是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面镀有薄薄的金属层，膜后距膜几十微米处有一金属板，振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极，在两极间加一电压U，人对着话筒说话时，振动膜前后振动，使电容发生变化，导致话筒所在的电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化为电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容器两板间的( ) A．距离变化B．正对面积变化 C．介质变化D．电压变化 4．如图所示为一测定液面高低的传感器示意图，A为固定的导体芯，B为导体芯外面的一层绝缘物质，C为导电液体，把传感器接到图示电路中，已知灵敏电流表指针偏转方向与电流方向相同。如果发现指针正向右偏转，则导电液体的深度h变化为( ) A．h正在增大B．h正在减小 C．h不变D．无法确定
5．如图所示，R1为定值电阻，R2为负温度系数的热敏电阻(负温度系数热敏电阻是指阻值随温度的升高而减小的热敏电阻)，A为小灯泡，当温度降低时( ) A．R1两端的电压增大B．电流表的示数增大 C．小灯泡的亮度变强D．小灯泡的亮度变弱 6．如图所示为小型电磁继电器的构造示意图，其中L为含铁芯的线圈。P为可经O点转动的铁片，K为弹簧，S为一对触头，A、B、C、D为四个接线柱。电磁继电器与传感器配合，可完成自动控制的要求。其工作方式( ) A．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路串联 B．A与B接信号电压，C与D可跟被控电路并联 C．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路串联 D．C与D接信号电压，A与B可跟被控电路并联 7．演示位移传感器的工作原理如图所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是( ) A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化 B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化 C．物体M不动时，电路中没有电流D．物体M不动时，电压表没有示数8.下列说法正确的是( ) A．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号
传感器与检测技术试卷及答案
1． 属于传感器动态特性指标的是（D ） A 重复性 B 线性度 C 灵敏度 D 固有频率 2 误差分类，下列不属于的是（B ） A 系统误差 B 绝对误差 C 随机误差 D 粗大误差 3、非线性度是表示校准（B ）的程度。 A 、接近真值 B 、偏离拟合直线 C 、正反行程不重合 D 、重复性 4、传感器的组成成分中，直接感受被侧物理量的是（B ） A 、转换元件 B 、敏感元件 C 、转换电路 D 、放大电路 5、传感器的灵敏度高，表示该传感器（C ） A 工作频率宽 B 线性范围宽 C 单位输入量引起的输出量大 D 允许输入量大 6 下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（B ） A 应变式传感器 B 化学型传感器 C 压电式传感器 D 热电式传感器 7 传感器主要完成两个方面的功能：检测和（D ） A 测量 B 感知 C 信号调节 D 转换 8 回程误差表明的是在（C ）期间输出输入特性曲线不重合的程度 A 多次测量 B 同次测量 C 正反行程 D 不同测量 9、仪表的精度等级是用仪表的（C ）来表示的。 A 相对误差 B 绝对误差 C 引用误差 D 粗大误差 二、判断 1.在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在改变条件时，按 一定规律变化的误差称为系统误差。（√） 2 系统误差可消除，那么随机误差也可消除。 （×） 3 对于具体的测量，精密度高的准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，所以精确度 高的准确度不一定高 （×） 4 平均值就是真值。（×） 5 在n 次等精度测量中，算术平均值的标准差为单次测量的1/n 。（×） 6.线性度就是非线性误差.（×） 7.传感器由被测量，敏感元件，转换元件，信号调理转换电路，输出电源组成.（√） 8.传感器的被测量一定就是非电量（×） 9.测量不确定度是随机误差与系统误差的综合。（√） 10传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，是为了确定 传感器静态特性指标和动态特性参数（√） 二、简答题：（50分） 1、什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足 通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？ 答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入—输出特性。静态特性是指 当输入量为常量或变化极慢时传感器输入—输出特性。在时域条件下只研究静态特性就能够 满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器的动态特性。 2、绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输 出特性的概念以及它们之间的关系。 答：框图如下： 测量值是通过直接或间接通过仪表测量出来的数值。 测量误差是指测量结果的测量值与被测量的真实值之间的差值。 当测量误差很小时，可以忽略，此时测量值可称为相对真值。 输入 输出 相对真值 测量误差 测量值
电容式传感器思考题答案
第3章 电容式传感器思考题答案 1.试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容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 答：如图所示是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x 后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 C =εb （a -△x ）/d =C 0-εb ·△x /d （1） 电容因位移而产生的变化量为 其灵敏度为 d b x C K ε-=??= 可见增加b 或减小d 均可提高传感器的灵敏度。 直线位移型电容式传感器 2.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 答：下图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d 发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C 。 设极板面积为A ，其静态电容量为d A C ε=，当活动极板移动x 后，其电容量为 22 011d x d x C x d A C -+=-=ε (1) 当x < 压力传感器 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面主要介绍这类传感器。 本次选用上海葩星信息科技有限公司的PXF1030型压阻式压力传感器。 压阻式压力传感器原理 压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 压阻效应 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 电阻式压力传感器与压阻式压力传感器的对比 电阻式压力传感器传动 电阻式传感器是将输入的机械量应变ε转换为电阻值变化的变换元件。电阻变换器的输入量为应变ε-ΔL/L，即材料的长度相对变化量，它是一个无量纲的相对值。通常ε-10-6为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量ΔR/R0电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应Δρ/ρ-πσ且σ-Eε其中σ是应力（F/S）；π是压阻系数，E是弹性模量，所以电阻的相对变化为（ΔR/R）≈πEε。要测量其他物理量，如压力、力等，就需要先将应变片贴在相应的弹性元件上，这些物理量被转换为弹性元件的应变，再经应变片将应变转换为电阻输出量。 第一章 1、何为传感器及传感技术？ 人们通常将能把被测物理量或化学量转换为与之有对应关系的电量输出的装置称为传感器，这种技术被称 为传感技术。 2、传感器通常由哪几部分组成？通常传感器可以分为哪几类？若按转换原理分类，可以分成几类？ 传感器通常由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成，有时也把信号调节和转换电路、辅助电源作为传 感器的组成部分。 传感器一般按测定量和转换原理两种方法进行分类。 按转换原理分类可以分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。 3、传感器的特性参数主要有哪些？选用传感器应注意什么问题？ 传感器的特性参数：1 静态参数：精密度，表示测量结果中随机误差大小的程度。 正确度,表示测量结果中系统误差大小程度。 准确度，表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度。 稳定度、鉴别度、分辨力、死区、回程误差、线性误差、零位误差等。 动态参数：时间常数t:在恒定激励理 第二章 1、光电效应有哪几种？与之对应的光电器件和有哪些？ 光电传感器的工作原理基于光电效应。 光电效应总共有三类：外光电效应（光电原件有：光电管、光电倍增管等、内光电效应（光敏电阻）、光生 伏特效应（光电池、光敏二极管和光敏三极管） 2、什么是光生伏特效应？ 光生伏特效应：在光线的作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。 3、试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异，并简述在不同的场和下应选用哪种器 件最为合适。 光敏二极管：非线性器件，具有单向导电性。（PN 结装在管壳的顶部，可以直接爱到光的照射）通常处于 反向偏置状态，当没有交照射时，其反向电阻很大反向，反向电流很小，这种电流称为暗电流。当有光照 射时，PN 结及附近产生电子-空穴对，它们的反向电压作用下参与导电，形成比无光照时大得多的反向电 流，该反向电流称为光电流。 不管硅管还是锗管，当入射光波长增加时，相对灵敏度都下降。，因为光子能量太小不足以激发电子-空穴 对，而不能达到PN 结，因此灵敏度下降。 探测可见光和赤热物时，硅管。对红外光进行探测用锗管。光敏三极管：有两个PN 结，比光敏二极管拥有更高的灵敏度。 光敏电阻：主要生产的光敏电阻为硫化镉。 7、简述光纤的结构和传光原理。光纤传感器有哪些类型？他们之间有什么区别？ 传感器与检测技术习题 答案周杏鹏 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08] 传感器与检测技术习题答案 第一章 答：随着我国工业化、信息化步伐加快，现代化建设中的各行各业高效生产对传感器也检测技术的依赖逐步加深。比如：先进的传感器技术助力现代化石油钻井平台建设。 为了能够可靠地采集钻井平台钴机塔架上运动部件的终点位置，使用了感应式传感器。在整个新型钻井中共使用了60个这样的感应式传感器，方形的接近开关对钢质目标的感应距离增大到20mm, 满足了近海海上勘探工作环境极为恶劣的所有要求。 他因素的干扰影响亦很小，重复性要好。 ③灵敏度：即被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。 ④其他：如耐腐蚀性、功耗、输出信号形式、体积、售价等。 答：功能： 信号调理：在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。 信号处理：信号处理时自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人类的大脑相类似。 区别： 信号调理作用是把信号规格化，滤除干扰，信号处理则是提取信号中的信息，并对这些信息按照功能要求进行处理。可以说，信号调理是进行信号处理的基础。 组成： 信号调理：信号放大、信号滤波、A/D转换 信号处理：主要是各种信号的嵌入式微控制器、专用高速数据处理器（DSP）等 答：分类见表1-1(P8) 答：按照被测参量分类，可以分成测量：电工量、热工量、机械量、物性和成分量、光学量、状态量等。 答：1.不断拓展测量范围，提高管检测精度和可靠性 2重视非接触式检测技术研究 3检测系统智能化 电容式传感器在液位测量中的应用 【摘要】本文主要介绍了电容式传感器在液体测量中的一项应用——电容式液位计。电容式液位计是企业自动化的重要检测工具.本文介绍的电容式传感器做成水位测量计报警系统，结构简单，具有极高的抗干扰性和可靠性，解决了温度、湿度、压力及物质的导电性等因素对测量过程的影响。 【关键词】电容式液位计;测量原理;连接电路 洪水灾害是我国发生频率高、危害范围广、对国民经济影响最为严重的自然灾害。洪灾会造成江、河、湖、库水位猛涨，堤坝漫溢或溃决。所以一个安全，可靠，及时的水位测量系统显得尤为重要，目前我国较多使用的是浮子式水位测量计，虽然结构简单，但是干扰性较差，抗腐蚀能力也较低。本文根据检测与转化技术中的电容式传感器做成水位测量计报警系统，结构简单，具有极高的抗干扰性和可靠性，解决了温度、湿度、压力及物质的导电性等因素对测量过程的影响。能够测量强腐蚀性的液体，如酸、碱、盐、污水等。 1.解决方案 由于较多的降雨，水库的水位会增加，所以可以利用电容式传感器做成水位测量计。 1.1检测原理 电容式液位计是根据电容的变化来实现液位高度测量的液位仪表，电容式液位计的主要构件包括容式物位传感器和检测电容的线路。电容式液位计在测量时是将一根金属棒探入被测量容器的溶液中，将金属棒作为电容的一极，将容器壁作为电容的另一极。 电容式液位计在工作时，两个电极之间分别处于两种介质之中，而这两种介质的介电常数肯定是不同的，液体的介电常数ε1和气体的介电常数ε2之间存在一个差，这样同一段距离中ε1与ε2的比例不同，加和的结果也不同。 电容式液位计测量时，加设ε1>ε2，那么当液位升高时，ε1占据的比例增大而ε2占据的比例减小，两个电极之间的总的介电常数值也就会随之增大，而电容量也就会相应增加，通过对电容量增加值的测算就可以得到液位高度值。 在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，同心圆柱式电容器的电容量: C=■ 式中： 第6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+C2 C、 C1+C2/C1-C2 D、ΔC1/C1+ΔC2/C2 3、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就是( )。 A、适用于变极板距离与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就是( ) 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.仅电源电压的幅值与频率 MEMS压力传感器原理与应用 摘要：简述MEMS压力传感器的结构与工作原理，以及应用技术，MEMS压力传感器Die的设计、生产成本分析，从系统应用到销售链。 关键词：MEMS压力传感器 惠斯顿电桥 硅薄膜应力杯 硅压阻式压力传感器硅电容式压力传感器 MEMS（微电子机械系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 MEMS压力传感器可以用类似集成电路（IC）设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者 都是在硅片上生成的微机械电子传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。 MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空 第五章 3.试述霍尔效应的定义及霍尔传感器的工作原理。 霍尔效应：将半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。 霍尔传感器工作原理：霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电动势的传感器。在垂直于外磁场B的方向上放置半导体薄片，当半导体薄片流有电流I时，在半导体薄片前后两个端面之间产生霍尔电势Uho霍尔电势的大小与激励电流I和磁场的磁感应强度成正比，与半导体薄片厚度d成反比。 4?简述霍尔传感器的组成，画出霍尔传感器的输出电路图。 组成：从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1'电极用于加控制电流，称控制电流，另一对2-2'电极用于引出霍尔电势。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。 电路图： 5.简述霍尔传感器灵敏系数的定义。 答：它表示一个霍尔元件在单位激励电流和单位磁感应强度时产生霍尔电势的大小。 7?说明单晶体和多晶体压电效应原理，比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点。原理：石英晶体是天然的六角形晶体，在直角坐标系中，x轴平行于它的棱线，称为电轴，通常把沿电轴方向的作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；y轴垂直于它的棱面，称为机械轴，把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应；z轴表示其纵轴，称为光轴，在光轴方向时，不产生压电效应。 压电陶瓷是人工制造的多晶体，在极化处理以前，各晶粒的电畴按任意方向排列，当陶瓷施加外电场时，电畴由自发极化方向转到与外加电场方向一致，此时，压电陶瓷具有一定极化强度，这种极化强度称为剩余极化强度。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极表面上很快就吸附了一层来自外界的自由电荷，正负电荷距离大小因压力变化而变化，这种由机械能转变成电能的现象就是压电陶瓷的正压电效应，放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，Q=d33F 特点：石英晶体：（1）压电常数小，时间和温度稳定性极好；（2）机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；（3）居里点573°C,无热释电性，且绝缘性、重复性均好。压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。 压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作 第3章电容式传感器习题 3-1 电容式传感器有哪些优点和缺点？ 答：优点：①测量范围大。金属应变丝由于应变极限的限制，ΔR/R一般低于1％，。而半导体应变片可达20％，电容传感器电容的相对变化量可大于100％； ②灵敏度高。如用比率变压器电桥可测出电容，其相对变化量可以大致10－7。 ③动态响应时间短。由于电容式传感器可动部分质量很小，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。 ⑤结构简单，适应性强。电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料（如玻璃、石英、陶瓷等）作绝缘支承，因此电容式传感器能承受很大的温度变化和各种形式的强辐射作用，适合于恶劣环境中工作。 电容式传感器有如下不足： ①寄生电容影响较大。寄生电容主要指连接电容极板的导线电容和传感器本身的泄漏电容。寄生电容的存在不但降低了测量灵敏度，而且引起非线性输出，甚至使传感器处于不稳定的工作状态。 ②当电容式传感器用于变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。 3-2 分布和寄生电容的存在对电容传感器有什么影响？一般采取哪些措施可以减小其影响。 答：改变传感器总的电容量，甚至有时远大于应该传递的信号引起的电容的变化；使传感器电容变的不稳定，易随外界因素的变化而变化。 可以采取静电屏蔽措施和电缆驱动技术。 3-3 如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？ 答：采用可以差动式结构，可以使非线性误差减小一个数量级。 3－4：答：驱动电缆技术是指传感器与后边转换输出电路间引线采用双层屏蔽电缆，而且其内屏蔽层与信号传输线（芯线）通过1：1放大器实现等电位，由于屏蔽电缆线上有随传感器输出信号变化而变化的信号电压，所以称之为“电缆驱动技术”。 ＋ 1：1压力传感器分析
传感器课后答案
传感器与检测技术习题答案周杏鹏
电容式传感器在液位测量中的应用
6电容式传感器习题及解答
MEMS压力传感器原理与应用.
传感器课后题答案
第三章电容式传感器习题解答