电容式传感器【通用4篇】

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电容式传感器【第一篇】

直升机燃油测量系统作为直升机燃油系统的—部分，主要实现直升机燃油油量的测量、指示等功能。燃油测量系统的测量精度对直升机的性能有着重要的影响，对军用机而言，提高燃油测量精度，意味着可以提高直升机的有效载荷、航程及作战半径；而对民用运输机而言，则可大大改善其经济性。随着现代航空技术的发展，对燃油测量精度的要求越来越高。因此，如何实现燃油的精确测量是设计人员孜孜以求的目标。本文论述直升机燃油测量系统的一般技术途径：C/V变换电路信号采集技术、A/D转换技术、数字信号处理等技术。

2背景

长期以来，人们一直在探索提高燃油油量测量精度的途径。早在1952年，美国Raytheon公司就动用了一大批技术力量对此进行研究。在该公司所著《燃油测量技术研究》中就提出采用机械、振动、超声波、电磁、电、光、核辐射等各种原理来测量航空器的燃油测量。。随着航空事业和微电子技术的发展，电容式燃油油量测量技术成为目前应用最为广泛的直升机燃油测量技术。近年来，国外在取得上述成就的基础上，又着手研究利用光纤技术来进行燃油油量测量，如能投入实际应用，则将再使这方面的技术进入一个新的时代。

3测量技术

目前通用的燃油测量是利用装在直升机油箱中的变介电常数电容式传感器电容的变化来感受直升机油箱燃油液面的高度变化，再根据油箱的高度容积曲线计算出燃油油量。油量传感器为线性传感器。当油面的高度变化时，在激励信号的作用下将燃油高度的变化量转换为等量的电容量变化，再通过测量系统的各油量测量通道转化为直流电压信号，并经过数字化后输入到显示设备的处理装置，最终计算出燃油液面高度变化后的油量容积。电容式传感器：

电容式传感器的分类。电容式传感器一般有变间隙型、变面积型和变介电常数型三种方式，其中变介电常数型是目前航空燃油测量使用最广泛的一种，简介如下：变介电常数传感器，变介电常数传感器是直-9采用的传感器，当电容极板间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变，直-9在设计过程中采用垂直定位圆柱形传感器的电容技术，传感器为线性电容式，由同轴安装的特制双层薄壁铝合金管和外体组成，其电容增量随所在燃油箱内燃油液面高度变化而线性变化，连接器传输电缆采用高绝缘同轴电缆。适于在复杂环境条件下稳定、可靠地工作，其测量精度、抗污染性和可靠性均优于同类产品。[2]

测量电桥。测量电桥由传感器电容CX、与固定电容C0组成的交流桥路组成，桥路电源为激励源产生的正弦波信号，所以传感器信号为正弦波信号，而通过固定电容的信号也为正弦波信号，但与传感器的正弦波信号相位相差1800。两个信号叠加势必会相互抵消，理论上CX=C0，R1=R2时输出电压为零，设定固定电容为传感器理论上的干电容值，即CX=C0，R1=R2。在实际应用中，当燃油为零时传感器的干电容与理论值稍有偏差，零位需要进行调整，通过调零电位器将输出的电压设定为0伏，通过调满电位器将满油电压设定为5伏，这样0V-5V区间就是传感器的液面变化区间。将传感器的电容量转换成与之成比例的交流电压信号，经信号整形滤波处理输出模拟电压信号。

4系统构建

电容式传感器【第二篇】

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。

1、加速度传感器原理概述

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。

差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作。，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。

2、变间隙电容的基本工作原理

如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示：

由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是 、A、 的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即 变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。

由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离 是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在整个间隙，范围内变化，而是限制在一个较小的  范围内，以使  与 C的关系近似于线性。

它说明单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小，所以要提高灵敏度S应减少起始间隙 ,但这受电容器击穿电压的限制，而且增加装配加工的困难。

由式（2－5）可以看出，非线性将随相对位移增加面增加。因此，为了保证一定的线性，应限制极板的相对位移量，若增大起始间隙，又影响传感器的灵敏度，因此在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式结构，在差动式电容传感器中，其中一个电容器C1的电容随位移 增加时，另一个电容器C2的电容则减少，它们的特性方程分别为：

可见，电容式传感器做成差动式之后，非线性大大降低了，灵敏度提高一倍，与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。

3、电容式差容式力平衡传感器器的工作原理与结构

工作原理

如图1所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图

电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器LT1058，双运放op270放大器组成。

差容式力平衡传感器机械结构原理

由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。如图2所示为一种差容式力平衡电容差容式力平衡传感器原理简图。主要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。

当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1＝C2，C＝0后续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量C，C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。

4、力平衡传感器实际应用

哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：

测量范围：±，±，±

灵敏度：BA-02a:±/g、±/g

BA-02b1:±/g（差动输出）

BA-02b2:±/g（特定要求，高灵敏度）

频响范围：DC-50Hz（±1dB）

绝对精度：±3％FS

交叉干扰：小于%

线性度：优于1%

噪声：小于10μV

动态范围：大于120dB

温漂：小于%g/g

电源：±12V-±15V @

电容式传感器【第三篇】

摘 要：传感器是一门综合性很强的学科。掌握运用传感器的相关知识，对于中职学校的学生来说，有着重要的意义。本文主要介绍了电容传感器项目教学的设计。通过传感器知识的学习，可以培养学生的创新精神和思维能力，并将其广泛地应用于现代化生产中，促进科技革新和生产力的发展。

关键词 ：教学设计 电容传感器 项目教学

中等职业教育国家规划教材配套教学用书《传感器及其应用》第四章第二节讲述了电容式传感器的原理及分类。传感器在测量与控制电路中不可或缺，在现代生产生活中也已被广泛应用。如何使学生更高效的学习，教学过程的优化设计起着极其关键的作用。要提高教学效率，教师必须在教学设计上多下工夫。

一、项目教学过程设计

1.引入项目

水是生命之源。我国水资源总量位居世界前列，可是人均水资源占有量却很少，再加之人们对水的不重视，水资源浪费、污染的情况日益严重。所以，教师要让学生运用所学的知识来保护水资源，减少人为浪费。这样从情感上激励学生，要努力完成这个有意义的项目。

2.明确项目

设计电容感应式水龙头。

3.实施项目

（1）通过实验了解电容性能，引出电容公式及分类。

实验：将两片方形金属片相互靠近，用万用表的电容挡，测量两者之间的电容量。随着两金属片的缓慢靠近，电容量从0pF逐渐变大，最大可以达到30pF。请一名学生，在两金属片之间缓慢地放入塑料薄膜，同时观察万用表。学生们发现电容量逐渐增大至40pF。请另一名学生，在保持两金属片相对距离不变的情况下，沿水平方向将其分开，此时万用表显示的电容值逐渐变小。通过实验，学生们感性地认识到，电容量与两极板间相对的有效面积、介电常数成正比，而与两极板间的相对距离成反比。

根据以上原理，学生们把电容传感器分为三类：变面积式、变极距式、变介电常数式。

（2）分组分类讨论查阅资料，选择变介电常数式电容传感器为设计基础。

①变面积式。变面积式传感器，两极板水平相对，其中一个为定极板，固定不动；另一个为动极板，可以左右直线运动，两极板间的相对位置为原始距离。学生讨论表达式K=-εb/δ，指出变面积式电容传感器，其灵敏度为常数，输出特性为线性，同时明确变面积式电容传感器的应用场合，多用于直线位移、角位移、尺寸等参数的测量。

②变极距式。变极距式电容传感器，被测物连接动极板上下运动，使其两极板之间的距离发生改变，从而电容量也随之改变。初始极距与灵敏度相互矛盾，因此变极距式电容传感器适合测量小位移。为了使灵敏度得到提高，一般采用差动结构。

③变介电常数式。由于不同介质的介电常数差异很大，因此在电容器两极板之间放入不同介质时，电容C是不相同的。根据这种原理制成的电容传感器称为变介电常数式电容传感器。

（3）分析实施。

①教师提出设计要求：当手或物体靠近水龙头时，水龙头会自动定量出水。

②学生通过资料整理讨论设计方案，提出独立电源供电，变介电常数式电容传感器采集信号，通过转换电路将控制信号传给自动水龙头开关电路，同时计时电路开始倒计时，到达设定时间自动切断水源，达到节水目的。

③各小组对提出方案集体讨论并改进，提出自己的想法，使学生的思路得到了开阔。

学生在拓展思考过程中，扩大电容传感器在生活中的应用范围，根据电容传感器的工作原理再提出新的设计项目，从而激发学习积极性和自主学习意识。

二、项目教学评价设计

组织各小组派代表在班级汇报，学生在项目教学过程中，进一步理解非电量到电量的转换概念，了解电容传感器的工作原理及在日常生活中的应用。通过查阅资料，了解当今国内传感器的现状。各组汇报完成后，进行小组互评，班级气氛很活跃。最后教师点评并给各小组打分，激励学生的竞争意识，使学生的学习热情更加高涨。

三、小结

该次课是依据学生的认知规律安排教学的，其引入项目是从珍惜水资源和一个有趣的实验开始的，通过不同的实验现象引导学生思考，增强学生对电容传感器了解的积极性，激发他们自主学习传感器的热情。项目教学主要分成三大块，学生变成学习的主体，很多学生介绍了日常生活中，藏在我们身边的传感器。提出自己的想法，设计了新的传感器应用项目。在项目教学过程中培养了学生的自主、合作、思考的能力，增强了学生的学习能力和科学素养。

参考文献：

[1]沈聿农。传感器及应用技术[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]王俊峰。孟令启。现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

电容式传感器【第四篇】

关键词： 传感器；教学体系；教学方法

0 引言

“传感器原理与应用”课程是测控技术与仪器、电气工程及其自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、机械工程及其自动化、核工程与核技术等专业的专业基础课，也是很多其他工程类专业的选修课程[1]。这门课程是已学课程知识的综合及后续课程的基础，在课程体系中担负着承上启下的作用。理论性和实践性都很强，与通信技术、计算机技术并称为现代电子信息技术的三大支柱[2]。本文针对“传感器原理与应用”课程的特点，结合专业培养的目标，探讨该课程理论教学和实践教学的改革问题。

1 课程特点

传感器课程主要内容是介绍各种传感器的内部结构、测量电路、应用领域及敏感元件的工作原理、制作材料和工艺等。种类繁多，不仅涉及电学、磁学、力学、光学、声学、化学、生物学、数学、材料、机械原理、计算机技术等多门学科[3]，还涉及工业现场的一些实际情况及制作工艺学等，几乎涉及支撑现代文明的所有学科。另外，科学技术的发展对传感器的发展也不断提出新的要求和挑战，大批新型优质传感器不断涌现，要求教学内容能够与时俱进。

2 合理设置教学体系

面对传感器课程综合性强、实践性强、知识更新快的特点[4]，要具体应用某种传感器实现实际的测量，则需综合应用各学科的知识，而知识应用的多元化又使学生很不容易理出头绪，很难找到一条主线。现行的专业设置，人为隔离了学科间的联系，导致学生在知识结构、技能训练和素质培养等方面的片面性，无法提升学生传感器的设计、开发技能。为真正提高学生的综合应用各学科知识的能力，近年来，东北石油大学测控技术与仪器专业在课程体系设置方面进行了调整。开设了“传感器原理与应用”、“数据误差分析”、“单片机原理与应用”、“测控电子线路”等基础课程，注重基础知识的讲解；开设了“模拟电子课程设计”、“传感器课程设计”、“单片机课程设计”等，注重培养学生综合应用的能力。其中“传感器原理与应用”为64学时，其中理论教学56学时，实验8学时，“传感器课程设计”为两周时间。这样，从理论教学、实验教学以及课程设计三个环节完善了课程的设置。

3 优化教学内容，改革教学方法

提纲挈领，启发式教学 为了便于学生学习理论知识，我们对讲课的内容作了以下处理：把种类繁多的传感器按原理进行分类，如电阻式、电容式、电感式、光电式、压电式、磁电式等；在讲解每一类传感器的原理部分，先引入现实生活中常见的某个应用，调动学生学习的兴趣，之后分析工作原理，并辅以动画演示，增加学习的生动性，进一步分析测量电路及误差影响因素，最后结合实际总结该传感器的应用领域、应用范围等。利用这条主线来学习，大大减少了学生的负担。

创设问题情境，讨论式教学 由教师通过讲解、板书以及教学多媒体的辅助，把教学内容传递或者灌输给学生的“以教师为中心”的教学方法下，学生逐渐养成了不爱问、不想问“为什么”，甚至是不知道问“为什么”的麻木的学习习惯，形成过度依赖、拒绝思考的现状。针对这一问题，在讲解传感器工作原理、测量电路等理论知识时，采用边推导边设问的方式与给出结论由学生推导分析过程、教师补充不足相结合，增加学生讨论互动环节，使学生不再是被动的接受者，把教学内容转化为个体的学习任务，给学生自我思考时间，并进行实践探索，从而发现问题（使用哪种类型的传感器）、分析问题（传感器的性能、原理）、解决问题（传感器的应用），提高学生思维能力，在设疑解惑中获得传感器知识，构建以提出问题、分析问题、解决问题为主线的能力培养体系，调动学生学习的主动性。

承上启下，建立各章节间联系 传感器课程知识零碎，内容较多且分散，各章之间缺乏系统性和连续性[5]。针对各章节内容较分散的问题，在讲解某个传感器原理及测量电路时以提问的方式复习前几种传感器原理及测量电路类型，讲解应用时提问是否有用已经讲述过的传感器来替代现有传感器的可能，同时要对这几种传感器的应用优劣性做出对比。例如在讲解电感式传感器原理时通过推导给出电感传感器计算基本公式，此时复习电阻式及电容式的基本计算公式及其推导过程；讲解电感式测量电路时以提问的方式复习电阻式及电容式测量电路形式、特点、注意事项等；讲解应用时以加速度测量为例，可由学生讨论用电阻式及电容式传感器实现测量的原理并分析数学模型，并且要对利用这三种传感器实现加速度检测功能的材料成本、传感器性能、产品制造工艺和检测方法等做出对比。通过这种教学模式，将各章之间建立紧密的联系，这样可以拓宽学生的视野，增进学生对不同传感器之间联系的进一步理解。

重视实践环节，培养学生科学探究能力 在实验教学中，根据客观条件适当减少验证性实验，增加综合性设计性实验。对于验证性实验，教师利用多媒体技术讲授实验原理，使学生对所做实验有一个理性的认识；学生根据指导书内容独立完成实验。对于综合性设计性实验，每次实验内容在实验指导书中仅提出本次实验的目的、测量目标、测试具体要求、需要掌握的内容等，不限制方法和思路。让学生独立设计实验，并在安全范围内大胆让学生自我设计并进行实验，自行探索，学生成为独立完成实验设计和实验过程的主体，实验教师在必要时给予提示帮助。例如，在转速测量的实验中，教师不用规定学生具体使用哪一种传感器，学生可以自主独立选择传感器。电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等均可以实现转速的测量，学生可以选择其中一种甚至几种来实现测量，然后对测量结果进行比较分析，可以得出在各种情况下哪一种传感器的测量可靠性、精度更高。这样可以充分调动起学生学习的积极性，不但可以提高学生的思维空间，同时还会让学生有惊奇的发现，大大提高了教学效果。通过对这些情况的处理，可以培养学生解决问题的能力和创新思维的能力，在探讨解决较复杂问题的过程中，还可以培养学生的团结协作精神。

课程设计过程通过以下几个步骤完成：选择题目、收集资料、问题总结、答疑解惑、确定方案、具体设计、检查调试、成绩评定。课程设计既要体现个体的综合应用能力，又要体现团体的合作，所以在设置过程中，要求每人一个题目，每五个人一组，在完成自己题目设计的同时又要了解同组同学的设计思路、方法。在课程设计成绩评定中，采取小组答辩的形式进行，让学生对自己的设计思路、设计中遇到的问题、解决问题的方法、结果进行演讲式答辩，教师和其他学生可以提出相关问题（要求同组同学要对本组设计的提问进行补充，视各组团体成绩给最终成绩）。这样既锻炼了学生的表达能力，也有助于学生之间的团结互助，对不同课题组的同学之间的相互学习也起到了一定的促进作用。对于设计思路和效果比较好的小组，可以进一步深化设计体系，进而参加各级别的创新大赛。

4 结束语

在近几年的课程教学中，按人才培养的需求，对课程的理论与实践教学进行了改革与尝试，将知识传授、实践能力培养、综合素质教育融为一体，及时更新、补充教学内容并反映新的传感技术；改革教学手段，增强学生学习的主动性和能动性。学生对于“传感器原理及应用”这门课程的学习兴趣有了显著的提高，教学成果明显。课堂学习气氛较浓，考试成绩也较以往有显著提高，学生在对老师的评教中也给予了很好的肯定；学生创新意识、创新能力在不断提高。

参考文献：

[1]陈淑静，马天才。“传感器原理及应用”课程教学改革探讨[J].天中学刊，2011，26(5)：86-88.

[2]应蓓华，李林功，钟伟红。“传感器技术及应用”课程实践教学改革探讨[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2011，4：64-66.

[3]张向文．《传感器原理及应用》课程教学改革的探讨[J].科教资讯，2007，3(27)：150-151.