一 : 电容式传感器_传感器原理及应用(免费)

第4章 电容式传感器

第4章 电容式传感器
Capacitive Sensors

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第4章 电容式传感器

绪 论
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件， 将被测物理量的变化转换为电容量的变化。

特点： （1）小功率、高阻抗。
（2）小的静电引力和良好的动态特性。 （3）本身发热影响小。 （4）可进行非接触测量。
应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿 度和成分含量等测量之中。
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4.1 电容式传感器的工作原理和特性 4.1.1 工作原理及类型
电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容 器和测量电路组成，其变量间的转换关系原理如图所示。

由物理学可知，当忽略电容器边 缘效应时，对图示平行极板电容 器，电容量为

+

S
r

C?

?S
d

?

? 0? r S
d
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d

_

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可见：在S、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可 使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、 液位等)的变化引起S、d、ε三个参量中之一发生变化，就可 利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感 器可分为以下三大类：
(1) 极距变化型电容传感器； (2) 面积变化型电容传感器； (3) 介质变化型电容传感器。

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4.1.2电容传感器特性分析
1.变极距型电容传感器 设初始电容为：C ? ? 0? r S ? ? 0 S 0 d0 d0 当间隙d0减小Δd时,则电容量增大ΔC，则：

?C ? C ? C0 ?

? 0? r S
d 0 ? ?d

?

? 0? r S
d0

?

? 0? r S
d0

?d ?d ? ? C0 d 0 ? ?d d 0 ? ?d

电容的相对变化为：

?C ?d 1 ? C0 d 0 1 ? ?d

d0

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当 ?d / d0 ?? 1 时，将上式按泰勒级数展开，得：

? ?d ? ?d ? 2 ? ?d ? 3 ? ?C ?d ?1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ......? C0 d0 ? d0 ? d0 ? ? d0 ? ? ? ?
可见，电容C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系。 在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系： 灵敏度随极板间 ?C ?d ? 距的减小而增大

C0

d0

? C / C0 1 ? 电容传感器的静态灵敏度为 K ? ?d d0
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如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线 性误差： (?d / d0 )2 ?L ? ?100% ? ?d / d0 ?100% ?d / d0
由以上分析可知：变极距型电容式传 感器只有在Δd/d0 很小时，才有近似的 C 线性输出。 如图，极距变化相同值 ±△d 所 对 应 的 电 容 变 ΔC1 { 化

量不同 ΔC2 {
非线性随极板间距 的减小而增大

ΔC1 >ΔC2

Δd

d0 Δd

d

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为了提高灵敏度和减小非线性， 以及克服某些外界条件如电源 电压、环境温度变化的影响， 常采用差动式的电容传感器， 其原理结构如图所示。
工作时差动电容器总电容变化为：

?d ?C ? C1 ? C2 ? ? ? ?2C0 d 0 ? ?d d 0 ? ?d d0
? ? ?d ?2 ? ?d ?4 ? ?C ?d ?1 ? ? ? ?2 ? ?? ? ? ?? C0 d0 ? ? d0 ? ? d0 ? ? ? ?
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?0S

?0S

1
2

1 ? ? ?d ? ? d ? 0? ? 当 ?d / d0 ?? 1 时，将上式按泰勒级数展开，得：

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略去非线性高次项，得：

?C ?d ? ?2 C0 d0

变极距差动电容式传感器的灵敏度K′为

? C C0 2 K ? ? d0 d0
'

变极距差动电容传感器的非线性误差?′L近似为

? ?d ? ??L ? ? 100% ? ? ? d ? ? 100% ? 2(?d / d 0 ) ? 0? 可见，电容式传感器做成差动式结构后，非线性误差大大降低 了，而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍。与此同时，差 动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效 的改善由于环境影响所造成的误差。
3
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2(?d / d 0 )

2

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2.变面积的电容式传感器

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（1）用于线位移测量的电容式传感器 当动极板移动后,极板相对有效面 积发生变化，对应的电容值为：

b ? a ? ?x ? b?x Cx ? ? ? C0 ? ? d d b?x ?x ?C ? Cx ? C0 ? ?? ? ?C0 d a
灵敏度：

?C b k ?? ?? ?x d

灵敏度为常数

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变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感， 测量精度受到影响,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小， 成为实际中最常采用的结构。 其电容计算式为： C ?

2?? x ln( D / d )

当重叠长度x变化时，电容量变化为：
?C ? C0 ? C ? 2?? L 2?? x 2?? ( L ? x) 2???x ? ? ? ln( D / d ) ln( D / d ) ln( D / d ) ln( D / d )

?C 2?? ? 灵敏度为： K ? ?x ln( D / d )

可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变 化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。
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（2）用于角位移测量的电容式传感器

当动片有一角位移? 时，两极板间的覆盖面积就 改变，从而改变了电容量。
当? =0时， C0 ? 当转动?角时，

? S0
d
? ( S0 ?
d S0

C?

?

?)
? C0 (1 ?

? ?

)

? ?C ? C ? C0 ? ?C0 ?
灵敏度：

K ??

?C

?

?

C0

角位移式电容传感器的输出特 ? 性是线性的，灵敏度 K 为常数。

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3.变介质型电容式传感器
电容式液位传感器 图示同轴圆柱形电容器的初始 电容为: 2?? 0 h C0 ? ln(r2 r1 )
电容式液位传感器结构原理图与等效电路

测量时，电容器的介质一部分是被测液位的液体，一部分是空气。 设C1为液体有效高度hx形成的电容，C2为空气高度（h-hx）形成的 电容，则： 2?? hx 2?? 0 (h ? hx ) C1 ? C2 ? ln(r2 r1 ) ln(r2 r1 )

由于C1和C2为并联，所以总电容为:
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2?? hx 2?? 0 (h ? hx ) 2?? 0 hx 2? (? ? ? 0 )hx C? ? ? ? ln(r2 r1 ) ln(r2 r1 ) ln(r2 r1 ) ln(r2 r1 ) (? ? ? 0 ) ? C0 ? C0 hx ?0h

可见，电容C理论上与液面高度hx成线性关系，只要测出传感器电 容C的大小，就可得到液位高度。 另一种测量介质介电常数变化的电 容式传感器结构如图。设电容器极 板面积为S，间隙为a，当有一厚度 为d，相对介电常数为? r的固体介 质通过极板间隙，相当于电容串联， 因此电容器的电容值为： ?0S 1 C? ? a?d d d ? a?d ? ? 0 S ? 0? r S ?r
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（1)若改变固体介质的相对介电常数 ? r ? ? r ? ?? r ， 则有电容量的相对变化为:
?C ?? r ? ? N2 ? C ?r 1 ? ?? r ? 1 ? N3 ? ? ?r ? ?

2 3 ? ? ?? r ?? r ? ?? r ? ? ?? r ? ? ? N 2 ?1 ? N 3 ? ? N3 ? ? ? N3 ? ? ?? ?r ?r ? ?r ? ? ?r ? ? ? ? ?

其中， N 2 ? 而增大；
N3 ? 1

1 1? ?r ?a ? d ? / d

，为灵敏度因子，随间隙比d/(a-d)增大

1? d / ?r ?a ? d ?

为非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小。

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（2）若传感器保持? r不变，改 变介质厚度，则可用于测量介 质厚度变化，此时
?C ?d ? ? N4 ? C d 1 ? ?d ? 1 ? N4 ? ? d ? ?

2 ? ? ?d ?d ? ?d ? ? ? N 4 ?1 ? N 4 ? ? N4 ? ? ?? d d ? d ? ? ? ? ?

其中，
N4 ? 1 ? ? r ? a ? d ? / d ，为灵敏度因子和非线性因子。
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? r ?1

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（3）若被测介质充满两极板间，则d=a，此时初始电容为

d C 若 ? r ? ? r ? ?? r ，则， ? C ? ?C ? C? r ,即

C0 ?

? r?0 S

C? r ? C0 ? ?C ?
可见，

?? r ? ?? r ? ? 0 S
d

?? r ? 0 S ? C0 ? d

?? r ? 0 S ?C ? d

与?? r 成线性关系

。测量液体介质介电常数的变化即属此情况， 如测原油含水率。

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4.2 电容式传感器的特点及设计要点 4.2.1 电容传感器的特点
1.电容式传感器的优点 (1)温度稳定性好 传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺 寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械 特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发 热极小) 影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量； 电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。 (2)结构简单，适应性强

电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强 磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很 大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作， 能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以 做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。
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（3）静电引力小 电容传感器两极板间存在着静电场，因此极板上作用着静电引 力或静电力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、 极间距离有关。一般说来，这种静电引力是很小的，因此只有对推 动力很小的弹性敏感元件，才须考虑因静电引力造成的测量误差。 (4)动态响应好

电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个105N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很 小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短， 能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质 损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于 测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。
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(5)可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能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,电容式传感器具有平均效 应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力 极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量， 例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很 灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μ m甚至更小的位移。

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2.电容式传感器的缺点 (1)输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十 到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当

采用音频范围内的 交流电源时，输出阻抗高达106～108Ω。因此传感器负载能力差， 易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必 须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传 感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将 作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要 特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频 供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂， 且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。

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(2)寄生电容影响大

传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l～2m导线可达 800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成 的电容等“寄生电容”却较大，①降低了传感器的灵敏度；②这 些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定， 影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致 使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求 (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，虽可采用差动结 构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了 电场的边缘效应时，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直接叠加，使输出特性非线性。 随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使 电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正 逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方 面大有发展前途的传感器。
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4.2.2 电容传感器设计要点

电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正 确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过 程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有 低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。 1.消除和减小边缘效应 边缘效应造成边缘电场产生畸变，使工作不稳，非线性误差也增加。 为了消除边缘效应的影响，在结构设计时，可以采用带有保护环的 结构，如图所示。

（a）消除边沿效应原理图

（b）带保护环的电容传感器结构
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2.提高结构设计中的绝缘性能 减小环境温度、湿度等变化所产生的误差,以保证绝缘材料的 绝缘性能,温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位臵及 某些介质的介电常数发生改变,从而改变传感

器的电容量,产生温 度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必 须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘 材料具有高的绝缘性能。
电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金 为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工 艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。 传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防 潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代 替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可 减少表面损耗、降低温度系数，但成本较高。
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传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳 定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有 高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人 造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高 于塑料、有机玻璃等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良 好的绝缘性能，可以考虑选用。
尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质 （也不受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。若用某些 液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们 的介电常数随之改变，产生误差。这种误差虽可用后接的电子电路 加以补偿，但无法完全消除。

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在可能的情况下,传感器内尽量采用差动对称结构,这样可以通过 某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。 选用50kHz至几MHz作为电容传感器的电源频率，以降低对传感 器绝缘部分的绝缘要求。 传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要 密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。传 感器的壳体刚性要好，以免安装时变形。 3．消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它 的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采 用方法：

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（1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽； （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法； （6）整体屏蔽法 （1）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2~0.5mm，圆筒 式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值， 但受加工及装配工艺、精度、示值范

围、击穿电压、结构等限制。 一般电容值变化在 10-3~103 pF范围内，相对值变化在 10-6~1范围 内。

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（2）注意传感器的接地和屏蔽 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极 筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳 （良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳 之间的电容值将保持不变， 绝缘体 固定极筒 屏蔽壳 从而消除了由此产生的 虚假信号。 连杆 引线电缆也必须屏 蔽在传感器屏蔽壳内 。 为减小电缆电容的影响， 应尽可能使用短而粗的 电 缆线 ，缩短传感器至 导杆 电路前臵级的距离。 可动极筒
接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图
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（3）集成化 将传感器与测量电路本身或其前臵级装在一个壳体内，省去 传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变， 使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、 低温或环境差的场合使用。 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度 较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技 术。传感器与测量电路前臵级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏 蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从 而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器 输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种 技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能，如图。
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外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏 蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗 要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/10000) 的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放 大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于 1pF时，也能正常工作。 当电容式传感器的 初始电容值很大(几百 μ F)时，只要选择适当 的接地点仍可采用一 般的同轴屏蔽电缆， 电缆可以长达10m，仪 器仍能正常工作。
芯线 ＋ 1：1 － 内屏蔽层 测量 电路 前置级

传 感 器

外屏蔽层

“驱动电缆”技术原理图
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（5）整体屏蔽法 将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同 一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和 防止外界的干扰。下图是差动电容式传感器交流电桥所

采用的整 体屏蔽系统，屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂 Z3和Z4中间， 使电缆芯线与其屏蔽 层之间的寄生电容CP1和 CP2分别与Z3和Z4相并联 。如果Z3和Z4比CP1和CP2 的容抗小得多，则寄生 电容CP1和CP2对电桥平衡 状态的影响就很小。
Z3 ～ CP1

C1
CP2 C2

-A

Z4

交流电容电桥的屏蔽系统
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最易满足上述要求的是变压器电桥，这时 Z3 和Z4是具有中心 抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z3和Z4的电流大小基 本相等但方向相反。因Z3和Z4 在结构上完全对称，所以线圈中的 合成磁通近于零，Z3 和Z4仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都 很小。结果寄生电容Cpl和Cp2对Z3和Z4的分路作用即可被削弱到很 低的程度而不致影响交流电桥的平衡。 还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电 容传感器两电容 C1和 C2之间。这样进一步降低了外界电磁场的干 扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前臵级， 不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m以上时仍能测出 1pF 的电容。 电容式传感器的原始电容值较大（几百pF）时，只要选择适 当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆。电缆长达10m时，传 感器也能正常工作。
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4．防止和减小外界干扰 当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信 号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪 器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一 种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。
防止和减小干扰的措施归纳为： ?屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前臵级等 等。 ?增加原始电容量，降低容抗。 ?导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列， 若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。 ?尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印 制线。 ?采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度， 减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。
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第4章 电容式传感器
4.3电容式传感器的等效电路
电容式传感器的全等效电路如图所示。图 中，L为包括引线电缆的电感和电容式传感 器本身的电感；r包括引线电阻、极板电阻和 金属支架电阻；Rg是极间等效漏电阻，包含 极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界 间的漏电损耗和介质损耗；C0 为传感器本身 的电容；Cp 为引线电缆、所接测量电路及极 板与外界所形成的总寄生电容。 电容式传感器电容量一般很小，容

抗很大，而工作频率一般较高， 故略去图中电阻的影响，电容式传感器的等效阻抗为 1 1 ZC ? ? j? L ? 式中，C=CP+C0 j? Ce j? C
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第4章 电容式传感器
则等效电容为 Ce ?
实际电容相对变化为
C 1 ? ? 2 LC

?Ce ?C 1 ? Ce C 1 ? ? 2 LC

因此实际的灵敏度为 ?Ce / Ce ?C C 1 K Ke ? ? ? 2 ?d ?d 1 ? ? LC 1 ? ? 2 LC 可见电容传感器的等效灵敏度Ke与传感器的固有电感L有关 ，且随ω变化而变化。因此，在实际应用前必须要进行标定 ，否则将会引入测量误差。

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第4章 电容式传感器
4.4电容式传感器的测量电路 4.4.1 调频测量电路

调频测量电路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。

当被测信号为零时,△C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，即:
f0 ? 1 2? L(C1 ? Ci ? C0 )
f ? 1 2? L(C1 ? Ci ? C0 ? ?C ) ? f 0 ? ?f

当电容发生变化时，频率变为

调频测量电路具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化 量，易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。
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第4章 电容式传感器 4.4.2 交流电桥测量电路
变压器电桥具有使用元件最少，桥路内 阻最小的特点。电桥输出电压为:

? ? ? ? ? ? E Cx1 ? Cx 2 E ?C Cx1 E E E ? 2Cx1 ? U0 ? ? ? ? ? 1? ? ? 2 Cx1 ? Cx 2 2 2 ? Cx1 ? Cx 2 ? 2 Cx1 ? Cx 2 2 C0
若传感器为变极距式差动电容传感器，则电桥输出为：

? U 0 经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压U 大小与位移成 SC

? E ?d ? U0 ? 2 d0

线性关系，其正负极性反映位移的方向。
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第4章 电容式传感器
4.4.3运算放大器式测量电路
由U a ? 0, I ? 0 : 1 ? ?U i ? ? j ? C I 0 0 ? 1 ? Ix ?U 0 ? ? j ? Cx ? ?I0 ? ?I x ? ?

Cx
Ix ui ～ a I0 b C0

-K u0

解得:U 0 而C x ? U0

C0 ? ?U i Cx ; 代入上式得:

?S
d

C0 ? ?U i d ?S
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第4章 电容式传感器 4.4.4二极管双T型交流电桥
当UE为正半周时，二极管VD1导 通、VD2截止，于是电容C1充电; 在随后负半周出现时，电容C1上 的电荷通过电阻R1，负载电阻RL 放电， 流过RL的电流为I1。UE 在负半周内，D2导通、D1截止， 则电容C2充电，在随后出现正半 周时，C2通过电阻R2，负载电阻 RL放电，流过RL的电流为I2。根 据上面所给的条件，则电流I1 =I2， 且方向相反，在一个周期内流过 RL的平均电流为零。
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第4章 电容式传感器
若将二极管理想化，当电源为正半周时，电路可等效成

一阶电路 当供电电压是幅值为±UE、 周期为T、占空比为50%的方 波，可直接得到流过电容C2的 电流iC2：

? ? 1 ? RL ( R ? RL ) ?t iC 2 ? U E exp ? ? R ? R RL ( R ? RL ) ? R ? R RL ( R ? RL )C2 ?
正半周电流iC2的平均值IC2可以写成：
IC 2 1 T 1 ? 1 R ? 2 RL 2 ? ? iC 2 dt ? ? iC 2 dt ? U E C2 0 0 T T T R ? RL
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第4章 电容式传感器
同理，可得负半周时流过电容C1的平均电流IC1为 1 R ? 2 RL I C1 ? U E C1 T R ? RL
故在负载RL上产生的电压为：

RRL RRL ( R ? 2 RL ) U E U0 ? ( I C1 ? I C 2 ) ? (C1 ? C2 ) 2 R ? RL T ( R ? RL )
当RL已知时，
RRL ( R ? 2 RL ) ( R ? RL ) 2

为常数，设为K，则：

U 0 ? K ? f ? U E ? (C1 ? C2 )

式中，f――电源电压的频率。 表明，传感器的输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关， 而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源参数确定后， 输出电压只是电容C1和C2的函数。
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第4章 电容式传感器
4.4.5 差动脉冲调宽电路
如图,C1 、 C2 为传感器的差 动电容，当电源接通时， 设双稳态触发器的 A端为高 电位，B 端为低电位，因此 A点通过R1对Cl充电，直至F 点上的电位等于参考电压 Ur时，比较器A1产生一个脉 冲，触发双稳态触发器翻 转，A点成低电位，B点成 高电位。此时F点电位经

二极管VD1迅速放电至零，而同时B点的高电位经R2向C2充电。当G点 的电位充至Ur时，比较器A2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使A 点成高电位，B 点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，在 双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。
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第4章 电容式传感器

C1＝ C2
时

C1>C2 时

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第4章 电容式传感器
uAB经过滤波后，即可得到一直流输出电压U0

TU1 T2U1 (T1 ? T2 )U1 1 U0 ? ? ? T1 ? T2 T1 ? T2 T1 ? T2

R1C1 ln U1 R2C2 ln U1 式中： T1 ? ; T2 ? U1 ? U r U1 ? U r 当电阻R1= R1=R时， 则为：U ? C1 ? C2 U 0 1 C1 ? C2
如果是变间隙式，则：

d1 ? d 2 U0 ? U1 d1 ? d 2
d1+d2= d0；则：

因为： d1= d0+Δd;

d2= d0-Δd;

?d U0 ? U1 d0
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第4章 电容式传感器
4.5电容式传感器的应用
1．电容式接近开关

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第4章 电容式传感器
电容式接近开关外形
非齐平式接近开关的安装

齐平式

非齐平式

非齐平式安装时，传感器 高于安装支架，易损坏。
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第4章 电容式传感器
电容式接近开关在液位测量控制中的使用

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第4章 电容式传感器
电容式接近开关在物位测量

控制中的使用演示

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第4章 电容式传感器

图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加 工，工件用夹具固定在移动工作台上，工作台由一个主电机拖 动，作来回往复运动，刀具作旋转运动。现用两个电容开关来 决定工作台何时换向。当“A”号传感器有输出信号时，使主电 机停止反转，同时，接通其正转电路，从而使工作台向右运动； 当“B” 号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，接 通其反转电路，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作 台的行程限位。
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第4章 电容式传感器
2.电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为?m处。当油箱

中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，
伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的

滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，

伺服电动机停转，指针停留在新的位臵（?

x

处）。

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第4章 电容式传感器
电容式液位计 棒状电极（金属管） 外面包裹聚四氟乙烯套管， 当被测液体的液面上升时， 引起棒状电极与导电液体之 间的电容变大。

聚四氟乙烯外套

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第4章 电容式传感器
3.电容式差压变送器

电子线 路位臵

低压侧进 气口

高压侧进 气口
内部不锈钢膜片的位臵
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第4章 电容式传感器
电容式差压变送器内部结构 1—高压侧进气口 2—低压侧进气口 3—过滤片 4—空腔 5—柔性不锈钢波纹隔 离膜片 6—导压硅油 7— 凹形玻璃圆片 8—镀金凹形电极 9—弹性平膜片 10—? 腔
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第4章 电容式传感器

各种电容式差压变送器外形

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第4章 电容式传感器
4.电容式转速传感器 设齿数为Z，由计数器得到的频率 为f，则转速n（r/min）为:

n ? 60 f / Z
5.电容式位移传感器 电容式位移传感器在测振幅和测轴回转精度和轴心偏摆的应用。

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第4章 电容式传感器
6.湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质， 在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸 收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增 加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。 吸水高分子薄膜 湿敏电容外形

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第4章 电容式传感器

湿敏电容模块及传感器外形

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第4章 电容式传感器

多孔性氧化铝湿敏

电容传感器外形

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第4章 电容式传感器
4.6容栅式传感器
容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一 种新型传感器。它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为 容栅传感器。同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高 了灵敏度。 容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式， 容栅传感器可分为长容栅、片状圆容栅、柱状圆容栅三类。 1.直线形容栅传感器（长容栅）

Cmax
长容栅结构原理图

? ab ?n ?
a，

式中， n—— 动尺栅极片数； b——栅极片长度和宽度。
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第4章 电容式传感器

容栅传感器的最小电容量理论上为零，实际上为固定电容 C0 ，为容栅固有电容。当动尺沿 x 方向平行于定尺不断移动时， 每对电容的相对遮盖长度 a将由大到小，由小到大地周期性变 化，电容量值也随之相应周期变化，如图所示，经电路处理后， 则可测得线位移值。

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第4章 电容式传感器
2.圆形容栅传感器（片状圆容栅）

最大电容为： ?? ? r22 ? r12 ?
Cmax ? n 2?

式中 r1，r2 ——圆盘上栅极片内半径和外半径； α——每条栅极片对应的圆心角。

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第4章 电容式传感器
3.筒形容栅传感器（柱状圆容栅）
筒形容栅传感器由两个套在一起的同轴圆筒组成，电极镀 在圆筒上，可实现长度的测量。柱状圆容栅的结构原理图 如图所示。

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第4章 电容式传感器
硅微加工加速度传感器

随着微机械加工技术(MEMS)的迅猛发展，各种基于MEMS技术的传 感器也应运而生，由于国防和尖端技术需要，微加速度传感器近年 来发展迅速。在各种微加速度传感器中，微电容式加速度传感器具 有结构简单、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力强，体积小、重 量轻、易于与测试、控制电路集成、有利于大规模批量生产等优点， 其研究和应用受到越来越广泛的关注。 图示加速度传感器以微细加工技 术为基础，既能测量交变加速度 （振动），也可测量惯性力或重 力加速度。其工作电压为2.7～ 5.25V，加速度测量范围为数个g， 可输出与加速度成正比的电压也 可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。
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第4章 电容式传感器

微加工三轴加速度传感器
技术指标： 灵敏度：500mV/g ， 量程：

10g，
点:8kHz ，

频率范围：
分辨力：

0.5-2000Hz，安装谐振

0.00004g ，
误差：≤1%

重量：200g ，

安装螺纹：M5 mm ， 线性

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第4章 电容式传感器 硅微加工加速度传感器原理

1

—加速度测试单元； 2—信号处理电路； 3—衬底 ； 4—底层多晶硅（下电极）； 5—多晶硅悬臂梁； 6—顶层多晶硅（上电极）

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第4章 电容式传感器
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、 C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅 是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相 当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测 试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC 转换成直流输 出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由 于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可 达1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感 器，就可以测量三维方向的振动或加速度。

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第4章 电容式传感器 加速度传感器在汽车中的应用
装有传感器的 假人

气囊

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当 测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了 碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀， 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
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二 : 光电传感器原理及应用的探讨

摘 要 在科学技术高度发展的现代社会中，我们主要依靠检测技术获取、筛选和传输信息来实现自动控制。光电传感器本身具有反应快、精度高、可靠性高等优点，而且其在测量速度方面较快，所以在自动测量领域中得到了广泛的应用。本文主要针对光电传感器的原理以及其应用等相关问题进行简要探讨。

关键词 光电效应；外光电效应；内光电效应；光电子
中图分类号G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）133-0080-01
在社会和经济快速发展的背景下，信息技术获得了广泛的应用，并在现代社会中发挥着重要的作用。很多人在得到资料后通过一系列科学的分析，加工，处理，才能正确认识和把握规律，促进科技工艺的发展。通过对信息的自动采集和过滤，获取有效的控制信息，可以提升企业的竞争力。
光电子和微电子技术的有效结合，形成了新的光电传感信息技术，这一技术的应用，使精度更高，响应速度更快，是具有高可靠性和高精确度的光电传感器，并且能对表格进行更灵活的测量，在自动检测技术当中得到了非常广泛的应用。光电传感器的应用可以实现对光学部件的有效检测。
1 光电效应理论基础
光电效应分为外部和内部光电效应光电效应。外部光电效应指的是表面电子的某些对象的光照射发生逃逸的现象，也称为电光效应以外光电子效应。基于在光电元件上具有光电管，光电倍增管等光学效应的外部光电效应是指光对下一个对象造成影响时，原子的内(www.61k.com］部电子被释放，但这些电子不会发生表面的逃逸现象，而是仍保持在所述主体的内部，从而使所述被摄体的变化的电阻率或产生电动势。主要包括光敏电阻器，光电二极管，光电池等光电元件。在光电材料的光，电子材料吸收能量，如果电子的表面能吸收足够的，电子将克服逃逸的束缚到空间，这是光电效应以外的外表面。
根据爱因斯坦的光电效应，光子移动粒子流，能量HV光子（h是普朗克常数，H=6.63X1030焦耳/HZ，V是光波频率）是有着不同能量、不同频率的光子，频率光波较高的更大光子，如果光子能量可以随着电子的增加而增加，就可以很好的克服正离子能量所增加的部分约束，另一部分一般就会被转换成另外一个电子的能量。根据能量守恒定律：1/2mv2=hv-w，其中m为电子质量，v是电子逃逸的初始速度；w是功函数。
因此，如果光电子逃逸面中，w不同的材料具有不同的功函数，入射光具有一定的频率限制，并且仅当入射光的频率大于该频率的限制，将已光电子，否则力度不大，也不会有光电子，这个频率所具有的上限我们一般把它称为“红色极限”。而光在电效应当中，价带与正常情况下的那些半导体材料之间所具有的带隙能量间隔在导带之间，价带电子不会自发如果通过转换到导带，使得导电半导体材料少得多的导电，但是，以某种方式与价带电子提供能量，它可以被激发到导带，形成一个载体，增加的方式的导电性时，光对于入射光的能量的激励。例如，价带电子将吸收这些具有很高能量的光子，并将其过渡到导带之中，从而留下一个介质孔当中的价带，这样也可以形成一对可以用来导电的电子――空穴对。虽然没有相关的逃逸电子或光电子形成，但是显然有电气效应是由于被光电效应中所产生的光。
用于价带到导带的电子跃迁，是有一定限度的入射光的能量，即ey=hv0=eg（v0是低频率）或频率小时石克事件的光比V比波长大于或更小。同时会发生与入射光的能量之间的电子跃迁是比较小的，不能使从价带的光子转变为导带，该带也可以是在子级结构跃迁内的
房间。
2 应用
光电传感器可以检测已被广泛应用于光的变化量而引起的检测技术，工业自动化和智能控制等领域。在这里，我们来说明这种传感器中的应用生产和生活。
2.1 光隔离器
所谓光隔离器一般是由一个发光的二极管或者光电晶体管在同一封套的组合物进行安装而成的。发光二极管的光敏电阻器，发光二极管光电晶体管。其中发光二极管的光电晶体管是被最广泛使用的，经常在隔离一般信号中使用；发光的光敏可控硅电源隔离的驾驶情况下使用二极管；发光二极管或在直接驱动低功率负荷的场合中使用的达林顿复合管。
2.2 文具计量电路
学生在不均匀的光环境中学习时，很容易使视觉疲劳，而光电文具计量电路可显示光的强度，引导学生以保护装文具的表面硅光伏电池的视力，直接感受到的光的强度，具有两个发光二极管作为指示灯的光强度时的光小于100V，由光电池产生的电压是比较小的，两个LED被点亮；当光线在100-200V时，其中一个发光二极管点亮，光线适中；当光大于200V，由光电池产生的电压是比较高的，两个发光二极管被点亮时，光线太强。
2.3 条码扫描笔
当扫描条形码笔尖上移动，如果遇到黑线，所述发光二极管的光就会由黑线被吸收，光电晶体管不接收反射的光，高阻抗电流干旱，在横截面中比状态由于当由发光二极管发出的光，被反射到光电晶体管的基极的颜色空间满足，光电晶体管导通，整个条码扫描之后，条形码到光电晶体管的电脉冲信号，将信号放大，脉冲列的形成后成形，然后通过计算机处理，以完成的条形码信息的识别。
2.4 光电探纬器
光电探测器在纬纱织机用检测器，以确定是否断裂时在喷射纬纱效果的进步，红外发射红外光，经纬线反射的接收到的光电池，如果没有接收到电池中的光的反射信号，则纬纱已破裂，因此光电池的输出信号，经过随后的电路放大，脉冲整形，并控制机器的正常操作是打开还是关闭报警。
因为纬纱非常薄，并向前摆动，漫射光的生成，减弱了反射光的强度，并伴有背景的杂散光，因此要求塞具有高的灵敏度和分辨率，为此，利用红外线LED高电流小电源脉冲占空比，它将确保发光管的寿命，而且在瞬间射的光，以提高检测灵敏度。
3 结论
一些广泛运用的光电传感器仍等着我们去研究，去探索，如在太阳下，还不能很好看清手机和电脑的显示，那么我们就可以用它来更改手机的感光器件和屏幕亮度，同样的，空调调节，可以红外线检测自动调整到舒适的温度的身体，当温度过高或过低时，打开空调即可调整到人的舒适范围温度，由此可见，光电传感器将会使我们的生活更方便。
参考文献
[1]张梦欣.自动检测与传感器应用[M].中国劳动社会保障出版社.
[2]李科杰.自动检测与光电传感器的应用[J].现代传感
技术.

三 : 红外线传感器的原理及应用

红外线传感器的原理及应用

沈阳电力高等专科学校 杨庆柏

刊载于《仪器仪表商情》2002年第25期

红外线技术是在最近十几年中发展起来的一门新兴技术。[www.61k.com）它已在科技、国防和工农业生产领域获得了广泛的应用。

一、红外线

红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称为红外线。红外线的波长范围大致在O.76～1000μm，工程上常把红外线所占据的波段分为4个部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。

一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能。在自然界中，只要物体本身具有一定温度(高于绝对零度)，都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火，甚至冰块都能产生红外辐射。红外光线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。

二、红外线传感器

红外线传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示等部分组成。红外线探测器是红外线传感器的核心，红外线探测器(俗

红外线感应器原理 红外线传感器的原理及应用

称探头)常见的有两类：

1．热探测器

热探测器是利用红外线辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能否引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定控制器所吸收的红外线辐射。［www.61k.com)热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。

2．光子探测器

光子探测器是利用入射红外线辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，称光子效应。利用光子效应制成的红外线探测器，统称光子探测器。光子探测器有内光和外光探测器两种，外光探测器又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器三种。

三、应用

火电厂采用红外线传感器来检测锅炉的火焰。红外线传感器的探测器是光敏电阻(光电导)探测器。燃烧器火焰的一次燃烧区域所产生的红外线辐射，经由光导纤维转送到探头，通过探头中的光敏电阻转换成电信号后，再由放大器放大。该火焰信号经由屏蔽电缆送到机箱，通过频率响应开头和一个放大器后，再同一个参考电压(可调)进行比较，若火焰信号大于参考信号，则对应的触发器置位，触发器输出信号使红色火焰指示灯点亮，表明锅炉有火焰；反之表示锅炉无火焰。锅炉有无火焰是关系到锅炉运行安全的重要参数，因此，红外线传感器也是FSSS(锅炉炉膛安全监控系统)的眼睛。

红外线感应器原理 红外线传感器的原理及应用

感知人体最简单的方法是红外线传感器。[www.61k.com］因为人体比其他物体温度高，故可根据红外线的辐射能量进行检测。人体产生的红外线波长为10μm左右，因此，用远红外线传感器最为合适。在日常生活中使用人体红外线传感器的实例有：人进门后门厅灯和走廊灯自动点亮；自动抽水厕所；手放在水龙头下面能自动出水的自动水龙头；此外还有防盗报警装置。

基于光生伏特效应而工作的光电池，在有光线作用下实质上就是一个电源。电路中有了这种光电元件就不需外加电源，将来的手机或掌上电脑如采用光电池的话，就无须充电或外加电池了，一旦无电，只要放到太阳下面晒一晒就会又有电了。光电池属于自发电型传感器，是全世界科技人员竞相研究的有环保概念的新投术领域。

四 : 压力传感器的原理及其应用

1.引言

汽车传感器是汽车电子化、智能化的基础和关键， 而其中使用较多、发展最快的是压力传感器。［www.61k.com）汽车压力传感器应用在汽车的很多系统中，如电子检测系统、保安防撞系统等。其中应用在轮胎气压方面的目的在于最大限度地减少或消除高压爆胎和低压辗胎造成的轮胎早期的损坏， 使轮胎经常保持标准气压， 延长轮胎的寿命，降低轮胎的消耗，提高经济效益。有报道说，将微型压力传感器埋置于汽车轮胎中，测量其中气压， 以控制对轮胎的充气量，避免过量和不够，由此可节省百分之十的汽油。

2.汽车压力传感器

2.1 压力传感器的原理和应用分类

传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量 （一般为电量）的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源。 传感器方框图如图1所示。

图1 传感器方框图

制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。

压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。根据晶体不受定向应力时，电导率是同性的，只有受定向应力时才表现出各向异性，由于应力能引起能带的变化，能谷能量移动，导致电阻率的变化，于是就有电阻的变化，从而产生压阻效应。单晶硅效应包括n型和p型硅压阻效应。选用扩散硅目的在于在设计制造压力传感器时可根据不同温度下硅扩散层的压阻特性选择合适的扩散条件，力求使压力传感器具有良好的性能。多晶硅在传感器中有广泛的用途，可作为微结构和填充材料、敏感材料。

压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源。后者是传感器自身产生电荷，不需要外加电源，根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器。

2.2 气压传感器

1）能和原理：主要是用来检测气压的传感器。在硅片的中间，从背面腐蚀形成了正方形的膜片，利用膜片将压力转换成应力，在膜片的表面，通过扩散杂质形成了四个p型测量电阻，它们按桥式电路连接，利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻的变化，此电阻的变化通过桥式电路之后，在桥式电路的两个输出端之间，以电位差的形式对外输出。传感器原理图如图2所示。

图2 传感器原理图

2）气压的输出特性：气压与输出关系曲线如图3所示，是一接近线性关系。

图3 气压与输出关系曲线

3.轮胎气压测量及电路设计

下面以测量轮胎气压为例详细阐述气压传感器在汽车轮胎方面的应用。此种设计可做成一种便携式的装置，测量时将气压传感器的表置于轮胎气门嘴上，这时胎压作用于传感器的膜片上， 通过压阻效应和系列变换输出微弱的电压信号，将电压信号进行相应处理显示电压值。由此可知不同的气压对应着不同的电压值，即气压值和电压值是一一对应的，从而间接测量了气压值。胎压测量电路方框图如图4所示。

图4胎压测量电路方框图

3.1 气压值和电压值的相互转换

任何一种型号的轮胎都有其标准气压， 某型号轮胎标准气压为P0压超过P1高压，而低于P2为低压。那么标准气压！， 经过此种装置显示为一定的电压值V0压为P1高压时则显示V1，而达到低压状态P2时则显示V2，气压的强弱通过此种装置体现在电压值上，当电压值在V1-V2范围内变化时，则气压是符合标准的。若电压值高于V1则为高压状态，低于V2则为低压状态，那么此时应采取一系列措施改变轮胎气压值在标准范围内，从而起到保护轮胎的效果。

3.2 电压信号放大电路

我们选用的高精度低噪声仪用放大器AD620，可以用在传感器输出信号小的放大器中，如光电池传感器、应变片传感器以及压力传感器等。由于它具有低噪声、增益精度高、增益温度系数小和高线性度等优良性能。用于此系统中是非常理想的。AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1-1000的仪表放大器，具有良好的直流性能和交流性能，AD620的体积小、功耗低成为应用在压力传感器中的重要因素，传感器信号放大电路如图5所示。

图5 传感器信号放大电路

 3.3 电压信号数字化和显示

放大后的模拟电压经过A/D转换器实现模拟量到数字量的转换。A/D转换结果通过计数译码电路变换成7段译码， 最后驱动显示出相应的数值， 传感器驱动显示电路方框图如图6所示。

图6 传感器驱动显示电路

选用双积分A/D转换器MC14433构成3 1/2的数字电压显示， 采用动态扫描显示有多路调制的BCD码输出和超量程输出端， 便于实现自动控制。MC1413为集成电路驱动器， 它含有7个反相驱动单元， 各单元采用达林顿晶体管电路。CC4511为7段译码驱动。MC14433提供输出可调的基准电压， 当基准电压为一定值时， 输出电压范围为定值。

 4. 结束语

汽车压力传感器在轮胎方面的应用正在不断地改进， 其中有很多种方式， 如采用无线电发射和接受方式来测量气压的高低。汽车压力传感器的品种正在不断地增加， 功能正在不断地完善。一般地说来，开关式传感器逐渐被线性压力传感器替代， 普通性的逐渐被高性能、多功能的传感器取代， 模拟式压力传感器逐渐被数字式传感器、智能化传感器取代。

五 : 压力传感器原理及应用

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。［www.61k.com]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压力的标准测量信号。

原理图

4、蓝宝石压力传感器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

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