4-3电容式传感器
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潘光勇0909111621 物联网1102班《传感器技术》作业第一章习题一1-1衡量传感器静态特性的主要指标。
说明含义。
1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合(或偏离)程度的指标。
2、回差(滞后)—反应传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。
3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下,输入量按同一方向作全量程连续多次变动时,所得特性曲线间一致程度。
各条特性曲线越靠近,重复性越好。
4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。
6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值,即零位附近的分辨力。
7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。
8、漂移——在一定时间间隔内,传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。
9、静态误差(精度)——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离(逼近)程度。
1-2计算传感器线性度的方法,差别。
1、理论直线法:以传感器的理论特性线作为拟合直线,与实际测试值无关。
2、端点直线法:以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。
3、“最佳直线”法:以“最佳直线”作为拟合直线,该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。
这种方法的拟合精度最高。
4、最小二乘法:按最小二乘原理求取拟合直线,该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
1—4 传感器有哪些组成部分?在检测过程中各起什么作用?答:传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。
各部分在检测过程中所起作用是:敏感元件是在传感器中直接感受被测量,并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件,如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。
传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件,如应变片可将应变转换为电阻量。
第1篇一、实验背景随着科技的飞速发展,传感器技术在各个领域都得到了广泛的应用。
传感器作为一种将非电学量转换为电学量的装置,对于信息采集、处理和控制具有至关重要的作用。
本实验旨在通过一系列传感器实验,加深对传感器基本原理、工作原理和应用领域的理解。
二、实验目的1. 了解传感器的定义、分类和基本原理。
2. 掌握常见传感器的结构、工作原理和特性参数。
3. 熟悉传感器在信息采集、处理和控制中的应用。
4. 培养动手操作能力和分析问题、解决问题的能力。
三、实验内容本次实验共分为以下几个部分:1. 压电式传感器实验- 实验目的:了解压电式传感器的测量振动的原理和方法。
- 实验原理:压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
工作时传感器感受与试件相同频率的振动,质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上,由于压电效应,压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
- 实验步骤:1. 将压电传感器装在振动台面上。
2. 将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
3. 将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端,与传感器外壳相连的接线端接地,另一端接R1。
将压电传感器实验模板电路输出端Vo1,接R6。
将压电传感器实验模板电路输出端V02,接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出V0与示波器相连。
4. 合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动,观察示波器波形。
5. 改变低频振荡器的频率,观察输出波形变化。
2. 电涡流传感器位移特性实验- 实验目的:了解电涡流传感器测位移的原理和方法。
- 实验原理:电涡流传感器利用电磁感应原理,当传感器靠近被测物体时,在物体表面产生涡流,通过检测涡流的变化来测量物体的位移。
- 实验步骤:1. 将电涡流传感器安装在实验平台上。
2. 调整传感器与被测物体的距离,观察示波器波形变化。
3. 改变被测物体的位移,观察示波器波形变化。
3. 光纤式传感器测量振动实验- 实验目的:了解光纤传感器动态位移性能。
传感器原理及应用习题答案习题1 (2)习题2 (4)习题3 (8)习题4 (10)习题5 (12)习题6 (14)习题7 (17)习题8 (20)习题9 (23)习题10 (25)习题11 (26)习题12 (28)习题13 (32)习题11-1 什么叫传感器?它由哪几部分组成?并说出各部分的作用及其相互间的关系。
答:传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。
通常传感器由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分,转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调节与转换电路对其进行放大、运算调制等。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
此外,信号调节转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源,因此信号调节转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
1-2 简述传感器的作用和地位及其传感器技术的发展方向。
答:传感器位于信息采集系统之首,属于感知、获取及检测信息的窗口,并提供给系统赖以进行处理和决策所必须的原始信息。
没有传感技术,整个信息技术的发展就成了一句空话。
科学技术越发达,自动化程度越高,信息控制技术对传感器的依赖性就越大。
发展方向:开发新材料,采用微细加工技术,多功能集成传感器的研究,智能传感器研究,航天传感器的研究,仿生传感器的研究等。
1-3 传感器的静态特性指什么?衡量它的性能指标主要有哪些?答:传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。
与时间无关。
主要性能指标有:线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。
1-4 传感器的动态特性指什么?常用的分析方法有哪几种?答:传感器的动态特性是指其输出与随时间变化的输入量之间的响应特性。
常用的分析方法有时域分析和频域分析。
实验三移相器、相敏检波器实验一、实验目的深入了解移相器、相敏检波器的工作原理。
二、基本原理1、移相器工作原理:图3—1为移相器电路原理图与实验模板上的面板图。
图中,IC-1、R1、R2、R3、C1图3—1 移相器原理图与模板上的面板图构成一阶移相器(超前),在R2=R1的条件下,可证明其幅频特性和相频特性分别表示为:K F1(jω)=Vi/V1=-(1-jωR3C1)/(1+jωR3C1)K F1(ω)=1ΦF1(ω)=-л-2tg-1ωR3C1其中:ω=2лf,f为输入信号频率。
同理由IC-2,R4,R5,R w,C3构成另一个一阶移相器(滞后),在R5=R4条件下的特性为:KF2(jω)=Vo/V1=-(1-jωR w C3)/(1+jωR w C3)KF2(ω)=1ΦF2(ω)=-л-2tg-1ωR w C3由此可见,根据幅频特性公式,移相前后的信号幅值相等。
根据相频特性公式,相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。
显然,当移相电位器Rw=0,上式中ΦF2=0,因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角:即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1若调整移相电位器Rw,则相应的移相范围为:ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3已知R3=10kΩ,C1=6800p,△R w=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定,即可算出图3—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。
2、相敏检波器工作原理图3—2为相敏检波器(开关式)原理图与实验模板上的面板图。
图中,AC为交流参考电压输入端,DC为直流参考电压输入端,Vi端为检波信号输入端,Vo端为检波输出端。
1图3—2 相敏检波器原理图与模板上的面板图原理图中各元器件的作用:C5-1交流耦合电容并隔离直流;IC5-1反相过零比较器,将参考电压正弦波转换成矩形波(开关波+14V ~ -14V);D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V(0 ~ -14V);Q5-1是结型场效应管,工作在开、关状态;IC5-2工作在倒相器、跟随器状态;R5-6限流电阻起保护集成块作用。
《单元1 差动变压器式传感器》教案课题单元1 差动变压器式传感器教学目的1、了解差动变压器的结构及工作原理2、掌握差动整流电路的工作原理,了解差动变压器的应用教学重点差动整流电路教学难点差动整流电路教学资源多媒体教学课件,差动变压器实物教学手段多媒体课堂教学,实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入模块三电感式及电容式传感器电感式或电容式传感器就是把被测量的变化转换为电感或电容的变化,然后通过对电感或电容的测量达到对非电量检测的目的。
单元1 差动变压器式传感器差动变压器式传感器是根据互感的变化来感知被检测量的。
【实物演示】差动变压器实物提纲挈领法演示展演法概念分析一、电感式传感器简述电感式传感器可分为自感式、互感式、电涡流式三大类。
自感式传感器是把被测位移量转换为线圈的自感变化;互感式传感器是把被测位移量转换为线圈间的互感变化,传感器本身是一个变压器;电涡流式传感器是把被测位移量转换为线圈的阻抗变化。
【图示】交流差动变压器式角位移传感器;GA系列差动变压器位移传感器;TD-1油动机行程阀位位移传感器二、差动变压器式传感器的工作原理1.结构可分间隙式和螺管式两种2.工作原理等效电路如图所示。
基本思想:把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化,图中M1、M2与位移x有关,当位移x很小时U o=k1|x | (无法判别位移方向)【动画】差动变压器原理动画【图示】差动变压器输出特性概念推演法图示讲演法概念讲演法动画演示法图示讲演法《单元2电涡流式传感器》教案《单元3电容式传感器》教案课题单元3 电容式传感器教学目的1、了解电容式传感器的工作原理及结构特点2、掌握变压器电桥的原理和脉冲宽度调制电路的特点3、了解电容传感器的调频电路,熟悉电容传感器的应用教学重点变压器电桥、差动脉冲调宽电路;电容式传感器的应用教学难点变压器电桥教学资源多媒体教学课件,电容式传感器实物教学手段多媒体课堂教学,实物演示教学教学过程及教学内容教学方法引入单元3 电容式传感器电容式传感器通过电容传感元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化,再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。
电容式传感器的位移实验
一、实验目的:了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理:利用平板电容C=εA/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中,保持二个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。
三、需用器件与单元:电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤:
1、按下图安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。
2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板,实验线路见图4-1。
图4-1 电容传感器位移实验接线图
3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元V i相接(插入主控箱V i孔),R w调节到中间位置。
4、接入±15V电源,旋动测微头推进电容传感器动极板位置,每间隔0.2mm 记下位移X与输出电压值,填入表4-1。
5、根据表4-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
五、思考题:
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构?能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素?。
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材:传感器技术(第3版)贾伯年主编,及其他参考书第4章 电容式传感器4-1 电容式传感器可分为哪几类?各自的主要用途是什么?答:(1)变极距型电容传感器:在微位移检测中应用最广。
(2)变面积型电容传感器:适合测量较大的直线位移和角位移。
(3)变介质型电容传感器:可用于非导电散材物料的物位测量。
4-2 试述变极距型电容传感器产生非线性误差的原因及在设计中如何减小这一误差?答:原因:灵敏度S 与初始极距0δ的平方成反比,用减少0δ的办法来提高灵敏度,但0δ的减小会导致非线性误差增大。
采用差动式,可比单极式灵敏度提高一倍,且非线性误差大为减小。
由于结构上的对称性,它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。
4-3 为什么电容式传感器的绝缘、屏蔽和电缆问题特别重要?设计和应用中如何解决这些问题?答:电容式传感器由于受结构与尺寸的限制,其电容量都很小,属于小功率、高阻抗器,因此极易受外界干扰,尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰,它与传感器电容相并联,严重影响传感器的输出特性,甚至会淹没没有用信号而不能使用。
解决:驱动电缆法、整体屏蔽法、采用组合式与集成技术。
4-4 电容式传感器的测量电路主要有哪几种?各自的目的及特点是什么?使用这些测量电路时应注意哪些问题?4-5 为什么高频工作的电容式传感器连接电缆的长度不能任意变动?答:因为连接电缆的变化会导致传感器的分布电容、等效电感都会发生变化,会使等效电容等参数会发生改变,最终导致了传感器的使用条件与标定条件发生了改变,从而改变了传感器的输入输出特性。
4-6 简述电容测厚仪的工作原理及测试步骤。
4-7 试计算图P4-1所示各电容传感元件的总电容表达式。
4-8如图P4-2所示,在压力比指示系统中采用差动式变极距电容传感器,已知原始极距1δ=2δ=0.25mm ,极板直径D =38.2mm ,采用电桥电路作为其转换电路,电容传感器的两个电容分别接R =5.1k Ω的电阻后作为电桥的两个桥臂,并接有效值为U1=60V 的电源电压,其频率为f =400Hz ,电桥的另两桥臂为相同的固定电容C =0.001μF 。
传感器重点内容作业题答案1-10 对某节流元件开孔直径d20的尺⼨进⾏了15次测量,测量数据如下(单位:mm):120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试⽤格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗⼤误差,并写出其测量结果。
解1:①求算术平均值及标准差,②判断有⽆粗⼤误差⽤格拉布斯准则,n=15,取置信概率Pa=0.95,得格拉布斯系数G=2.41。
则:数据120.30标准差超出,所以剔除。
剔除后剩余14个数据计算:,⽤格拉布斯准则,n=14,取置信概率Pa=0.95,得格拉布斯系数G=2.37。
则:,经判断⽆坏值。
③计算算术平均值的标准差:④测量结果:Pa=0.9973解2:⑤求算术平均值及标准差:(同解1)⑥判断有⽆粗⼤误差⽤格拉布斯准则,n=15,取置信概率Pa=0.99,得格拉布斯系数G=2.70。
则:数据120.30标准差超出,所以剔除。
剔除后剩余14个数据计算:,⽤格拉布斯准则,n=14,取置信概率Pa=0.99,得格拉布斯系数G=2.66。
则:,经判断⽆坏值。
⑦计算算术平均值的标准差:⑧测量结果:Pa=0.99731-13 测量某电路的电流I=22.5mA,电压U=12.6V,标准差分别为σI=0.5mA,σU=0.1V,求所耗功率P=UI及其标准差。
解:所以所耗功率283.5mW,标准差6.69mW。
2-1 什么叫传感器?它由哪⼏部分组成?1、传感器是能感受规定的被测量并按照⼀定的规律转换成可⽤输出信号的器件或装置。
2、传感器由:敏感元件、转换元件、信号调理与转换电路和辅助的电源组成。
3、它们的作⽤是:(1)敏感元件:是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;(2)转换元件:是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分;(3)信号调理与转换电路:由于传感器输出信号⼀般都很微弱,需要有信号调理与转换电路,进⾏放⼤、运算调制等;(4)辅助的电源:此外信号调理转换电路以及传感器的⼯作必须有辅助的电源。
第1篇一、实验目的1. 理解传感器的基本原理和分类。
2. 掌握常见传感器的工作原理和特性。
3. 学会传感器信号的采集和处理方法。
4. 提高实验操作能力和数据分析能力。
二、实验设备与器材1. 传感器实验平台2. 数据采集卡3. 信号发生器4. 示波器5. 计算机及相应软件6. 传感器:热敏电阻、霍尔传感器、光电传感器、电容式传感器、差动变压器等三、实验内容及步骤1. 热敏电阻实验(1)目的:了解热敏电阻的工作原理和特性。
(2)步骤:1. 将热敏电阻连接到实验平台上,并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集热敏电阻的输出信号。
3. 使用示波器观察热敏电阻输出信号的波形和幅度。
4. 分析热敏电阻输出信号与温度的关系。
2. 霍尔传感器实验(1)目的:了解霍尔传感器的工作原理和特性。
1. 将霍尔传感器连接到实验平台上,并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集霍尔传感器的输出信号。
3. 使用示波器观察霍尔传感器输出信号的波形和幅度。
4. 分析霍尔传感器输出信号与磁场强度的关系。
3. 光电传感器实验(1)目的:了解光电传感器的工作原理和特性。
(2)步骤:1. 将光电传感器连接到实验平台上,并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集光电传感器的输出信号。
3. 使用示波器观察光电传感器输出信号的波形和幅度。
4. 分析光电传感器输出信号与光照强度的关系。
4. 电容式传感器实验(1)目的:了解电容式传感器的工作原理和特性。
(2)步骤:1. 将电容式传感器连接到实验平台上,并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。
2. 通过数据采集卡采集电容式传感器的输出信号。
3. 使用示波器观察电容式传感器输出信号的波形和幅度。
4. 分析电容式传感器输出信号与电容变化的关系。
5. 差动变压器实验(1)目的:了解差动变压器的工作原理和特性。
1. 将差动变压器连接到实验平台上,并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。