4.2 电容式传感器的设计要点
4.2.1 电容式传感器的特点
1 优点
1）温度稳定性好
电容传感器的电容值，对电极而言，与电极的材料无关，仅取决于电极的尺寸；对介质而言，如果采用空气介质，其介质的能量损耗很小。因此，电容自身的发热极小。选取基板材料时，只需要从基板强度、温度系数和结构尺寸上考虑，而其它因素对电容值影响很小。
而电阻式传感器有电阻元件，故供电后发量热量大；电感式传感器存在铜损耗、磁滞和涡流损耗等，引起电感发热。这些发热都会使传感器产生温度漂移，也叫温漂或零漂，故温度稳定性不好。
2）结构简单、适应性强
从结构上看，电容结构为：两个金属极板，两根电极引线，极板间冲绝缘介质，绝缘介质可以是空气。故结构非常简单，易于制造。
电容式传感器能够在高温、低温、强辐射及强磁场等恶劣环境中工作，故适应能量很强。尤其可以在环境温差大、高压力和高冲击力的环境中，都能正常工作。它能测量高压和低压差，能对带磁工件进行测量。电容式传感器可以尺寸可以做的很小，以便能在有特殊要求的环境中测量。
3）动态响应好
电容式传感器的固有频率很高，故其动态响应时间很短。其介质损耗小，可以用较高频率给予供电。因此电容式传感器的系统工作频率高。
电容式传感器可用于测量高速变化的参数，比如测量振动、瞬时压力等。
4）可实现非接触测量，具有平均效应
当被测工件不允许接触式测量时，可以采用电容式传感器对其进行测量。
当采用非接触测量时，由于电容极板有一定的面积，是面非接触，故电容式传感器具有平均效应，它的测量是对被测面到极板的平均距离的一个结果。这样，可以减小工件表面粗糙度对测量的影响。
2 缺点
1）输出阻抗高，带负载能力差
电容式传感器的容量受到电极几何尺寸等的限制，不易做大，一般为几十F μ到几百F μ。因此，电容式传感器的输出阻抗高，带负载能量差。这种电路易受外接干扰，使电路不稳定，甚至无法正常工作。这里和前面讲的电容不易受环境影响是没有矛盾的，前面将的电容值C 不易受环境影响，而这里讲的是容抗c X 易受环境影响。故不矛盾。
因此，必须对传感器电路采取屏蔽措施，但这会给设计、制造和使用带来诸多不便。
因为电容器的容抗大，故要求传感器绝缘部分的绝缘电阻值极高，一般在几十兆欧以上，否则，绝缘部分就将作为电容的旁路电阻进行分流，影响仪器性能。为此，要特别注意传感器周围的温度、湿度和清洁度，这些都会影响传感器的绝缘电阻。
若采用高频供电，可降低传感器的输出阻抗，但是，高频电路的信号放大、传输都远比低频电路复杂，且寄生电容影响对电路影响很大，不易保证电路工作的稳定性。
2）寄生电容影响大
电容器上的寄生电容是指，连接电容式传感器和电子线路的引线上存在的引线电容（电缆电容，1-2m 导线就可达800pF ）、电子线路的杂散电容和传感器内极板与其周围导体构成的电容等。寄生电容较大，而传感器的初始电容量较小，故这大大降低了传感器的灵敏度。寄生电容常常是随机变
化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。
因此，对电线的选择、安装和接法都有严格的要求。比如，可以选用屏蔽性好而自身分布电容小的高频电缆作为引线，引线尽可能地粗而短。
3）输出特性非线性
变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽然可以采用差分型电容来改善，但非线性依然存在而不能消除。
其它类型的电容传感器只有在忽略掉电场边缘效应（极板边缘电场线呈发散状，不均匀）的情况下，输出特性才呈线性。否则，边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量叠加，使输出特性呈现非线性。
4.2.3 保护绝缘材料的绝缘性能
环境温度的变化会使电容式传感器内各零部件的几何尺寸变化，从而使它们的相对位置发生改变；同时，温度变化会使介质的介电常数改变。这样使电容值发生变化，产生温度误差。湿度也会影响介质的介电常数。因此，尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数接近于零的物质作为绝缘介质。而且，非常好的是，湿度不会影响它们的介电常数。温度和湿度还会影响绝缘材料的绝缘性能，使绝缘电阻改变。
金属极板应选用温度系数低的材料。铁镍合金温度系数小，但较难加工。可以在陶瓷或石英的表面上喷涂铁镍合金或银，这样的电极可以做得很薄，大大减小边缘效应，而且温度系数很小。
在电容式传感器内，电容极板（简称电极）表面的清洁程度直接影响电容的绝缘电阻，因此应保持其表面的清洁。但是，其表面不便经常清洗，故应加以密封，用以防潮和防尘。如果加密封不方便，那么可以在极板表面上镀一层薄的惰性金属，比如铑等，这样去密封极板。铑惰性层可防潮、防尘、防湿和防腐等作用，但铑是稀有金属，镀铑成本较高。
电极支架的选取主要考虑机械强度和温度性两方面因素。为固定和支撑电极，则要求支架应具备一定的机械强度。为提高灵敏度，则要求支架材料的温度系数要低，以及其几何尺寸稳定性要好。
为减小环境对传感器的干扰，则要求支架的绝缘电阻高、吸潮性低和表面电阻小。能满足这些条件的材料有塑料和有机玻璃，且易于加工；性能更好的材料有石英、云母、人造宝石和陶瓷等，但加工难度大。在环境温度不太高时，可选用聚四氟乙烯作为支架，易于加工，绝缘性又好。
还可以采用差分式对称结构，来提高灵敏度和减小环境温度变化等带来的误差。
50至几兆赫兹，这样可以降低对传感器绝缘部分的绝缘性能要求。
电源的频率可选用kHz
传感器内所有零部件应先清洗，后烘干，再装备。
传感器要密封，以防止外界水分的浸入，而引起电容值的变化或使绝缘性能变差。
传感器外壳的刚性要好，以免安装时变形。
4.2.3 等效电路
图4.2.1（b）就是平板电容图4.2.1（a）从输入端A、B两点看进去的高频等效模型。
图4.2.1 电容式传感器的等效电路
图4.2.1（b）中，L为传输线的线电感，R为传输线路的损耗等效电阻，根据电动力学知道，交流电频率越高，流过导线的电流就向越靠近导线的外表面，这一现象叫趋肤效应。当频率升高时，导线的轴心几乎没有电流流过，电流分布在靠近导线外侧的圆环内，故导线的有效横截面积减小，
C为寄生电容，它比线电阻增大。频率越高，圆环面积越小，导线的电阻越大。C为传感器电容。P
较小。P R 为极板间的等效漏电阻，非常大。
一般情况下R L ω<<，可以忽略不计。在实际传感器设计中，尽量使P C 很小，使P R 很大，那么它们也可忽略掉。在频率较低时，L 也可忽略掉。
在高频时，电容器就等效为L 与C 的串联模型。设那么它们的等效电容为e C ，由 11e j L j C j C ωωω=+ （4.2.1） 得到
21e C
C LC ω=- （4.2.2）
这表明有效电容e C 比C 增大了。传感器的灵敏度定义为
e e C k d ?=
? （4.2.3） 由（4.2.2）得到()
221e dC
dC LC ω=-，于是得到 ()221e C
C LC ω??≈- （4.2.4）
代入（4.2.3）得到
()()2222111e C k k d LC LC ωω?=
?=?-- （4.2.5） 其中C k d
?=?。可见，灵敏度是电源频率的函数，因此，当电源高频较高的情况下使用传感器，在改变电源频率或更换传输线路时，都必须对测量系统重新进行定标。
4.2.4 边缘效应
对于电容式传感器，当极板厚度h 与极板间距离δ可比时，两极板边缘处电力线出现分布不均匀的现象，即边缘电场的影响就不能忽略了，如图4.2.2所示。
图4.2.2边缘效应的影响 图4.2.3带等位换结构的电容传感器
对于变面积型和变介电常数型电容传感器而言，边缘效应不仅使灵敏度降低，而且还增加非线
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。
光电式液位传感器的优点、缺点 光电式液位感器的主要功能是侦测液位，可以实现缺水保护、无水报警、防水过多溢出等功能，广泛应用于各个行业。那么光电式液位传感器存在什么缺点什么优点呢？ 光电式液位传感器的优点： 1.响应时间短 光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。可快速、精准的检测液位，实现电器缺水保护、防水满溢出功能 2.液位检测精度高 污垢、液体中的杂物、沉淀物等都不会影响光电式液位传感器的检测精度，不同于浮球式液位传感器的液位控制精度在±3mm，而如能点的光电式液位传感器可以达到±0.5mm的精确度。 可检测多类型的液体 由于光电式液位传感器以光学反射未检测原理，所以并不像浮球式液位传感器那样受液体杂物、粘稠性限制，它可对净水、具有杂质的污水、具有腐蚀性的清洗液、黏稠的柴油机油等各类液体进行检测。 可实现非接触式的检测 使用分离式光电液位传感器，液体容器与机器是可分离的，可以不接触液体也能检测液位。水箱可移动，可更加方便清洗、且更卫生。
可多方位安装 在光电式液位传感器的采集方法中，安装是不会影响它的正常工作的。因此光电式液位传感器可以朝上、朝下安装；侧面安装、斜向安装等，因此水箱或其他容器的不规则形状并不会限制它的使用。 光电式液位传感器的缺点： 1. 不可在阳光直射下使用 可以采用更改安装的方式避免，或者是采用遮光罩等方式避免。 2.水汽、水蒸气等导致的探头上有水珠会影响传感器检测
在经过程序调整后，在程序中把这一因素计算在内可以解决此问题。 3.液面波动导致液位传感器误判。 可以采用在程序中加入防抖逻辑的方式，解决液面波动这一因素的影响。
按液位计传感器的所属学科分类。可分为物理型、化学型和生物型。把被测量转换成电址参数;化学型是利用化学反应，物理型是利用各种物理效应，把被测量转换成为电量参数;生物型是利用生物 按液位计传感器转换过程中的能量关系分类，可分为能最转换型和能最控制型。能量转换型是磁性翻柱液位计传感器直接将被测量的能最转换为输出量的能量;能量控制型是由外部供给液位计传感器能量。而由被测量来控制输出的能量。 按液位计传感器转换原理分类，可分为电阻式、微波式、激光式、超声式、光电式、热电式、电感式、电容式、电磁式、压电式、髯尔式、光纤式及核辐射式等等。 按液位计传感器转换过程中的物理现象分类，可分为结构型和物性型。结构型是依靠液位计传感器结构变化来实现参数转换的;物性型是利用液位计传感器的敏感元件特性变化实现参数转换的。 按液位计传感器的用途分类。可分为重址、位移、速度、加速度、力、电压、电流、温度、压力、流傲、功率物性参数等等。 效应及机体部分组织、微生物，把被测量转换为电最参数。 按液位计传感器输出量的形式分类，可分为模拟式和数字式。模拟式液位计传感器枪出为模拟量;数字式液位计传感器输出直接为数字量。 按液位计传感器的功能分类。可分为传统型和智能型。传统型磁翻板液位计传感器一般是指只具有显示和输出功能的液位计传感器;真正意义上的智能液位计传感器，推理、感知、应该具备学习、通讯等功能，具有精度高、性能价格比高、使用方便等特点。 智能型液位计传感器发展迅速，目前可实现的功能，概括起来有： 具有自动补偿功能具有自校零、自标定、白校正功能;具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能能够自动采集数据，并对数据进行预处理;能够自动进行检验、自选量程、自动诊断故障;具有数据存储、记忆与信息处理功能;具有判断、决策处理功能。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商
电容式智能液位仪
目录 目录 摘要 (2) 1.导言 (3) 2.传感器 (4) 2.1理想的电容式传感器 (4) 2.2电路模型 (5) 2.3传感器特性 (6) 2.4传感器结构 (7) 3.硬件电路设计 (11) 3.1硬件电路划分 (11) 3.2单片机的选用 (11) 3.3直流充放电式电容测量电路设计 (13) 3.4信号调理电路设计 (14) 3.5单片机电路及模数转化电路设计 (15) 3.6通信电路设计 (16) 4.系统软件设计 (18) 4.1编程环境与编程语言 (18) 4.2软件总体设计 (18) 5.电容测量电路的实验结果和分析 (19) 5.1实验过程及结果 (19) 5.2实验分析 (21) 参考文献 (22) 摘要
设计一种多功能智能化液位检测装置，采用A Tmega8作为硬件电路核心，以圆柱形电容探头为液位检测传感器，利用电容频率转换原理将电容变化为频率变化，利用单片机检测频率，软件计算液位高度。本装置具有机械去液面波动，用软件进行温度修正、线性校正、用户自校正，通信和多液体选择等功能。 本文主要创新之处是提出一种适合于波动液面液位检测的智能液位仪，具有温度补偿、用户自校正和通信等功能。本文设计了高度为100cm的柱形电容液位检测传感器，电容器具有结构简单，电路实现容易，利用555振荡电路实现了电容到频率的转换，利用程序实现频率到高度转换，理论正确可靠，推算过程合理，利用软件分段修正减小了线性误差。在电容的两端装有液位缓冲器，采用机械的方式减小液面波动。由实验测试可知，本液位检测装置性能稳定，检测可靠，测量精度达到1cm, 分辨率可0.1cm，达到车载式喷雾机液位检测的要求。利用此方案可根据需要设计各种量程的液位检测装置，适用性较广。 ·2· 1.导言
课程设计 设计名称: 电容式位移传感器的设计_ 专业班级: __ 姓名: ____________ 学号: _________ 指导教师: ______ xxxx年 xx 月
目录 一、设计要求……………………………………………………………… 3 二、电容传感器工作特性 (3) 三、电容传感器的优缺点 (3) 四、基本原理……………………………………………………………… 3 五、设计分析……………………………………………………………… 4 六、消除和减少寄生电容的影响 (5) 七、转换电路的设计 (6) 八、差动放大电路………………………………………………………… 8 九、相敏检波器系统工作及原理 (9) 十、心得体会 (11) 十一、参考文献 (12) 十二、附录 (13)
1、设计要求： 设计差动变面积式电容位移传感器，要求规定的设计参数。 1、测量范围（mm）：0~±1mm； 2、线性度（%Fs）：0.5； 3、分辨率（μm）：0.01； 4、灵敏度（PF/mm）： 5、通过理论设计、结构设计、理论分析等过程设计传感器结构和测量电路，画出结构示意图和测量电路图，并进行参数计算。利用参数和结构来选择合理的方法消除或减少寄生电容的干扰影响。结合传感器实验平台，确定传感器的静态灵敏度和线性范围，并设计电容传感器的电子秤应用实验。 2、电容传感器工作特性 电容式传感器具有灵敏度高、精度高等优点。相对与其他传感器来说，电容式传感器的温度稳定性好，其结构简单，易于制造，易于保证高的精度，能在高温、低温、强辐射及强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强；它的静电引力小，动态响应好，可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等；它能够实现非接触测量，在被测件不能受力，或高速运动，或表面不连接，或表面不允许划伤等不允许采用接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务；当采用非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以减少工件表面粗糙度等对测量的影响。因其所需的输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、很小的加速度、位移等，由于在空气等介质中损耗小，采用差动结构并连接成桥式电路时产生的零点残余电压极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度，分辨力高，能敏感0.01μm至更小的位移。本课题采用差动变面积式电容位移传感器，线性的反映电容和位移的变化关系。 3、电容传感器的优缺点
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
光电开关/传感器工作原理、接线图、概要、特长 发布者：david 发布时间：2011-5-13 17:47:53 阅读：2133次 光电传感器概要 「光电传感器」是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变化。受光部将检测出这种变化，并转换为 电气信号，进行输出。大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红
外光。光电传感器如下图所示主要分为3类。（详细内容请参见「分类」） 对射型 回归反射型 扩散反射型 光电传感器特长 ①检测距离长 如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。达到的长距 ②对检测物体的限制少 由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。 ③响应时间短 光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
④分辨率高 能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 ⑤可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。 ⑥可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 ⑦便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。 光电传感器原理 ①光的性质 直射 光在空气中和水中时，总是直线传播。 使用对射型传感器外置的开叉来检测微小物体的示例便是运用了这种原理。 曲折 是指光射入到曲折率不同的界面上时，通过该界面后，改变行进方向的现象。 反射（正反射、回归反射、扩散反射）
为了选择最佳的液位传感器，我们不但需要了解被测液体的属性和状态，同时，也要知道不同的检测方式的优点与局限性，从而才能选出最合适的传感器。以下为目前市场上最常见的检测技术。 激光测量：激光类传感器基于光学检测原理，通过物体表面反射光线至接收器进行检测，其光斑较小且集中，易于安装、校准，灵活性好，可应用于散料或液位的连续或者限位报警等;但其不适合应用于透明液体（透明液体容易折射光线，导致光线无法反射至接收器），含泡沫或者蒸汽环境（无法穿透泡沫或者容易受到蒸汽干扰），波动性液体（容易造成误动作），振动环境等。 tdr（时域反射）/ 导波雷达/微波原理测量：其名称在行业内有多种不同的叫法，其具备了激光测量的好处，如：易于安装、校准，灵活性好等，另外其更优于激光检测，如无需重复校准和多功能输出等，其适用于各种含泡沫的液位检测，不受液体颜色影响，甚至可应用于高粘性液体，受外部环境干扰相对小，但其测量高度一般小于6米。 超声波测量：由于其原理为通过检测超声波发送与反射的时间差来计算液位高度，故容易受到超声波传播的能量损耗影响。其亦具备安装容易、灵活性高等特点，通常可安装于高处进行非接触式测量。但当使用于含蒸汽、粉层等环境时，检测距离将会明显缩短，不建议使用在吸波环境，如泡沫等。 音叉振动测量：音叉式测量仅为开关量输出，不能用于连续性监控液体高度。其原理为：当液体或者散料填充两个振动叉时，共振频率改变时，依靠检测频率改变而发出开关信号。其可用于高粘度液体或者固体散料的高度监控，主要为防溢报警、低液位报警等，不提供模拟量输出，另外，多数情况下需要开孔安装于容器侧面。 光电折射式测量：该检测方式通过传感器内部发出光源，光源通过透明树脂全反射至传感器接受器，但遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测全反射回来光量值的减少来监控液面。该检测方式便宜，安装、调试简单，但仅能应用于透明液体，同时只输出开关量信号。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/8011600990.html,/
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。
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，江苏省苏科仪表有限公司技术部的同志就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 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。 1、应变片压力传感器原理与应用： 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。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：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。 1．2、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）
电容式感应工作原理及设计 电容式感应的工作原埋是什么呢?下面的示意图显示了1个电容式感应按钮的横截面。如图所示，在外覆层材料之下，存在导电的铜块区域和导电的传感器。在2个导电元件相互之间靠得很近时，就会产生一个电容值，本图中标为Cp，这个电容值是由于传感器垫板与接地板之间的耦合现象而形成的。Cp属于寄生电容，典型数量级任10pF至300pF。传感器与接地板靠近时也会形成一个边缘电场，这个电场能够穿透外覆层。基本上，人体组织也属于导电体。将一根手指放存边缘电场附近时，就会增加这个电容系统的导电表面面积。 但是，这个在图中标为CF的附加手指电容值的数量级在0.1pF至10pF。虽然一根于指的存在会导致电容发生变化，但与寄生电容相比，该变化的幅度是相当小的。而传感器的测得电容值称为CX。在没有手指存在的情况下，CX基本上等于CP。而在于指存在时，CX 则为CP和CF的和。 图1 手指电容值 电容式感应的设计方案 在我们了解了电容式感应的工作原理后，如何开始设计某一特定产品的电容式感应界面呢?我们重点要考虑到设计方案的需要。这个产品将用在什么地方?使用环境严苛吗?这项
设计中最重要的因素是电池的使用时间还是产品的耐久性?不同的因素对设计方案的影响也各不相同。 根据正在设计的产品类型，功耗可能是关键因素，也可能不是关键因素。例如，在由电池供电的手持设备上，功耗具有极为重要的意义。而一种对整体平均功耗即电池使用时间进行控制的方式是设立3个不同的工作区域。一个工作区域是快速响应区，这个区域内的每个传感器每200微秒扫描一次。系统会在按钮和滑动触摸处于连续操作状态下进入这一区域。在操作很少或无操作时，系统可以进入一个慢速响应区，将扫描频率减少到大约每100毫秒1次。最后，如果在很长时间内没有操作，则系统可以进入深度休眠模式，从而节省电力。通过实现节能、慢速响应模式，在便携手持设备每100秒扫描3个按钮的情况下，系统的耗电量可以低于50μA的平均电流。 在当今的电子产品领域，噪声也成为另-项重要的考虑因素。各类感应噪声，诸如来自电力线路的噪声，以及来自移动手机或日光灯的辐射噪声，无时无刻不存在，所以必须加以考虑。为了进行有效防范，我们的目标是增加信噪比，并消除虚假触摸响应。 在设计信噪比、耐久性、静电放电抵抗力以及精确度时，所选择的外覆层材料以及外覆层厚度具有很大的影响。而且，在考虑材料的类型和厚度时，必须根据产品的需要，在许多方面采取折衷方式。随着外覆层材料厚度的增加，信号和噪声两方面均会减少。但是，外覆层材料越厚，则对于静电放电的抵抗力就越强。人体的静电电压可以高达15 KV，而电容式感应系统的外覆层有助于避免集成电路在遭受此类静电放电时发生永久性损坏。另一种解决方法是，使用一层聚酰亚胺(Kapton)带，这种材料在需要超强静电放电保护的应用中能够发挥良好的作用。当然，外覆层越厚，也就越不容易破裂或者遭到破坏。
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
前言 (1) 1 压力传感器 (1) 1.1压力传感器的简介 (1) 1.2 压力传感器的种类 (1) 1.3压力传感器的结构与特点 (1) 2 智能压力传感器 (1) 2.1智能压力传感器的构造 (1) 2.2智能压力传感器的作用 (2) 2.3智能压力传感器的优势 (2) 与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是： (2) 2.4智能压力传感器的前景 (3) 3 智能压力传感器的系统设计 (3) 3.1系统结构整体设计 (3) 3.2系统的特点 (3) 4 系统硬件设计 (4) 4.1前端传感器模块 (4) 4.2信号调理电路模块 (5) 4.3 A/D转换模块 (5) 4.4微处理器 (8) 4.5显示模块 (9) 4.6温度补偿模块 (11) 4.7 硬件设计原理图 (11) 5软件程序设计 (16) 5.1软件程序语言介绍 (16) 5.2程序流程图 (16) 5.3 C语言程序设计 (16) 6问题与探究 (16) 7总结................................................................................... 错误！未定义书签。
参考文献 (17)
淮南师范学院2014届本科毕业论文 前言 压力传感器是目前最为大众常见所知的传统传感器，这种传感器以压力形变为指标体现压力变化，这种结构传感器存在质量大，敏感度低，不能和电路器件相连使用等缺陷。随便科技的进步，半导体的迅猛发展，半导体压力传感器的诞生弥补了这些不足，半导体压力传感器，不仅体积小，重量轻，而且可以和电路元器件配套使用，从而大大的提高了智能化和可操作性。压力传感器大大的推动了传感器的发展，让人们能够更好的实现压力体现发展。 1 压力传感器 1.1压力传感器的简介 压力传感器是最为普遍的一种传感器，大多使用在各种自动化环境中，涉及到电力石化，军工科技，船舶制造，数码产品等多方面。一般压力传感器都是用模拟信号转换成输出信号，将输出信号转换为数值表现。这种转换方式大大的提高了工作效率。进而为智能化提供了强有力的发展基础。 1.2 压力传感器的种类 压力传感器通常分为以下几种：1；电容式，2；电阻式，3；压电式，4；电感式，5；智能式。智能式传感器是通过和微处理器相连，与传感器相结合，从而产生了智能化效果，它具有信号处理，信号记忆和逻辑思辨的能力。 1.3压力传感器的结构与特点 本次论文采用差压式电容传感器，电容式传感器灵敏度高，性价比高，操作简单，质量高，过载能力强，在极端环境下，能够稳定工作，提供持续的传感能力，保证了整个元器件工作，并把环境影响降到最低，特点鲜明。 2 智能压力传感器 2.1智能压力传感器的构造 智能压力传感器是利用精密机械制造工艺和集成电路原理，将智能芯片和传感器紧密结合在一个半导体原件上，与传统传感器相比，智能式传感器体积更小，质量小，适用范围更大。整个智能压力传感器结构如下图所示；
传感器课程设计说明书 电容式导电液体液位传感器Capacitive conductive liquid level sensor 学院名称：机械工程学院 专业班级： 学生： 学生学号： 指导教师： 指导教师职称：教授 2012年 1 月
电容式导电液体液位传感器 专业班级：**** 学生：**** 指导老师：**** 职称：**** 摘要在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。 通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。 本设计采用一种简单方便的电容式液位测量方法，电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器,它具有结构简单、分辨力高、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点，是很有发展前途的一种传感器。 本电容式液位测量设计方式是用等径的长直圆筒容器，液位的高低正比于导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小，通过测量电路的转换，就可以很方便地测量出液面的位置。 此课程设计的目的是为了熟练掌握电容传感器的基本知识和各种测量电路的原理运用；基本掌握测量液位方法的基本思路和方法；能够利用所学的基本知识和技能，解决简单的传感器测量问题；培养综合利用传感器进行测量设计的能力。 关键词：液位测量电容式传感器测量电路电容传感器测量
Capacitive Sensor Operation Part 1: The Basics Part 1 of this two-part article reviews the concepts and theory of capacitive sensing to help to optimize capacitive sensor performance. Part 2 of this article will discuss how to put these concepts to work. Noncontact capacitive sensors measure the changes in an electrical property called capacitance. Capacitance describes how two conductive objects with a space between them respond to a voltage difference applied to them. A voltage applied to the conductors creates an electric field between them, causing positive and negative charges to collect on each object Capacitive sensors use an alternating voltage that causes the charges to continually reverse their positions. The movement of the charges creates an alternating electric current that is detected by the sensor. The amount of current flow is determined by the capacitance, and the capacitance is determined by the surface area and proximity of the conductive objects. Larger and closer objects cause greater current than smaller and more distant objects. Capacitance is also affected by the type of nonconductive material in the gap between the objects. Technically speaking, the capacitance is directly proportional to the surface area of the objects and the dielectric constant of the material between them, and inversely proportional to the distance between them as shown.: In typical capacitive sensing applications, the probe or sensor is one of the conductive objects and the target object is the other. (Using capacitive sensors to sense plastics and other insulators will be discussed in the second part of this article.) The sizes of the sensor and the target are assumed to be constant, as is the material between them. Therefore, any change in capacitance is a result of a change in the distance between the probe and the target. The electronics are calibrated to generate specific voltage changes for corresponding changes in capacitance. These voltages are scaled to represent specific changes in distance. The amount of voltage change for a given amount of distance change is called the sensitivity. A common sensitivity setting is 1.0 V/100 μm. That means that for every 100 μm change in distance, the output voltage changes exactly 1.0 V. With this calibration, a 2 V change in the output means that the target has moved 200 μm relative to the probe.
嘉兴学院毕业设计（论文）外文翻译 原文题目： Capacitive Liquid Level Sensor 译文题目：电容式液位传感器 学院名称：机电工程学院专业班级：电气081班学生姓名：毛勇 电容式液位传感器 这篇申请包含了1990年1月18日提交的辑07/466，936号描述的电容式液位传 感器和1990年1月18日提交的辑07/466，938号描述的容性液界面传感器共同 专利申请材料。 1.本发明的背景 本发明涉及到的是电容式液位传感器。这种液位传感器发现被许多的仪器使 用，其中一个用于从要分析的样品或试剂的容器里的液体中退出的机器人探测 器，就用到了该传感器。 在这样的机器人系统，它有容器内液位水平的知识，这样用于退出液体的探 测器能够被控制，以尽量减少与容器的内容接触。这种方式可以减少样品和试剂 之间的交叉污染，使清洗探头这样的尖端工作变得更为简单。在这种机器人系统 的探测器引入液体容器，最好保持低于液体的表面。 为了实现这一目标，各种液位传感器已被开发。这些就是所谓的电容式液 位传感器。这些都是基于任何导体都有有限电容的事实。当探测器真的接触液体， 液体的高介电常数和更大的表面面积会增加探测器的电容。这些电容的变化可以 相当小，因此敏感的检测设备是必需的。 现有技术已知的设备，适用于检测像桥梁，RC或LC振荡器和频率计计数 器（包括外差），锁相环，过零间对米，一个RC或LC滤波器的幅度变化，通过 一个RC或LC电路的相移的变化这样微小变化的电容。 其中现有的液位传感器是美国金士顿公司第3391547专利，使液罐的电容液 位探测器公诸于世。他采用了电容式探测器，置于液体中，作为电桥电路的一条