电容式传感器范文1
关键词：电容传感器；变面积；实验教学；兴趣
Experimental improvement of differential capacitance sensor based on variable area
Liu Yuyan
North China Electric Power University， Beijing， 102206， China
Abstract： The experiment of differential capacitance sensor based on variable area is compulsory in the sensor principle teaching. The current problems are analysed in the experimental teaching. The improvement measures are put forward. The transition is implemented from verification to design. The students’ interest of experiment is stimulated. The learning enthusiasm and initiative of the students to do experiments are improved.
Key words： capacitance sensor； variable area； experiment teaching； interest
传感器原理及应用是高等院校测控专业重要的必修专业课。该课程实用性强，对应的实验课程较多，有平时课内实验和期末的传感器综合实验。差动变面积式电容传感器特性实验是其中一个2学时的必修实验。目前，学生做此实验的兴趣不大，积极性不高。其原因主要是此实验为验证性实验，学生按照实验指导书的步骤进行，实验过程枯燥乏味。美国著名心理学家布鲁纳曾说过：“学习的最好刺激，乃是对所学教材的兴趣。”教育心理学认为，教师的首要任务是调动学生对所学课程的兴趣，进而让学生获得强烈的求知欲，从中获得一种收获的喜悦和。为此，笔者对实验内容做了改进。本文详细介绍差动变面积式电容传感器的原理、实验过程以及实验的改进措施。
1 实验原理和实验过程
用两块金属平板作电极可构成最简单的电容器。一般电容式传感器可以分成三种类型：变面积型、变介质介电常数型、变极板间距型。本文只讨论变面积型，其原理如图1所示[1]。
图1 变面积型电容传感器
由于差动式电容传感器使灵敏度提高了一倍，故应用广泛。差动变面积式电容传感器结构如图2所示，其中，1为传感器的动片，2和3为传感器定片。在零位移条件下，即电容动片1位于定片2和3中间时，结构电容C1与C2均为C0，差电容ΔC=C1-C2为零。在位移信号作用下，即当动片1上下移动时，其将分别与2和3构成的面积差动变化，结构电容C1与C2一个增大，一个减小，从而引起差分电容的线性变化。通过测量差分电容ΔC，可获得相应的位移量的大小，差分电容变化与位移信号为线性关系[2]。差分电容的电路示意图如图3所示[3]。
图2 差动电容传感器原理图
图3 差分电容的电路示意图
在实际使用中，单片的差动电容式传感器的电容量变化幅度比较小，当位移量较小时，其输出信号量比较微弱，易对后续测量造成不良影响。因此，采用差动式、多定片与多动片级连的形式解决这个问题[4]，由两块固定板和一块活动板组成，其中固定板分别由三块平行的金属板串联而成，三块金属板之间的间距相等，面积一致。活动板固定在振动圆盘上，通过测微头带动其上下移动，活动板的两边各有两片金属极片，分别与两固定板的金属板保持严格的平行且上下间距一致。当金属板的面积较大，电容板之间的间距较小时，边缘效应的影响可以忽略不计。故金属板之间的电磁场可以看做是均匀的。该差动电容传感器可等效为两个可变电容，其中由固定板1构成的是电容C1，由固定板2构成的是电容C2，活动板为两电容的中间抽头。当将C1和C2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关[5]。
传感器的工作特性通过其静态、动态特性直接反映出来。测量系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性。测量系统的静态特性又称刻度特性、标准曲线或校准曲线。与动态特性相比，静态特性更能反映传感器的各项指标，传感器静态特性的基本参数主要是指线性度、迟滞性、重复性和静态误差[6]。以零位移为起点，向上和向下位移电容动片，每次0.5 mm，直至动片与一组静片全部重合为止，此时输出最大。记录数据，并作出V-X曲线，求得灵敏度。当差动放大器增益置最小，电容变换器增益置最大时，得的测量结果见表1。本文实验结果基于浙江大学仪器系生产的CSY10A传感器系统实验仪，在Matlab里运行以下语句得位移-电压图（如图4所示）。
x=-7：0.5：7；
y=[-174 -164 -153 -141 -127 -116 -103 -90 -76 -64 -51 -38 -25 -13 0 12 25 37 50 62 75 88 101 114 127 138 147 154 159]；
p=polyfit（x，y，1）
y1=polyval（p，x）；
plot（x，y1，x，y，'ro'）
p=[24.8700 -1.5862]
表1 位移与电压关系数据表（其中X单位为mm，V单位为mV）
图4 位移-电压图
图4表明，在整个测试范围内（-7 mm～7 mm），位移的变化与输出电压呈良好的线性关系，与理论分析结果完全一致，与同类型的传感器相比，具有较高的分辨率、线性度和稳定性。
2 实验的改进
实验台架上是最简单的长方形的动片和静片，在此实验中，可以让学生自己设计动片和静片的形状，如圆形、三角形、梯形、扇形等。首先进行理论分析，然后通过实验加以验证，最后可以从灵敏度、线性度等方面比较学生的实验结果。这样，既丰富了实验内容，又给学生留下充分想象的思维空间，激发了学生做实验的兴趣，培养了创新意识。由于实验结果不唯一，不用担心学生抄袭实验报告，并且形成了一种良好的竞争机制，使学生由被动实验转为主动探索。
笔者以圆形动片为例进行简单说明。其中圆片半径为1，上下动片的形状为边长等于2的方形（如图5所示）。
a位移为0时 b位移为x时 c位移为1时
图5 动片为圆形时差动电容传感器原理图
图5中b是位移为x时：
其中ε为两极板间介质的介电常数；S1和S2分别为动片与上下静片相互覆盖面积；d为两极板间距离；x为从0到1的位移量。特殊地，当x为0时，ΔC=0，即动片位于上下静片中间时（如图5a所示）；当x为1时，ΔC=επ/d，即动片与下静片重合时（如图5c所示）。以上推导忽略了上、下静片间隙与动片的相对面积。
灵敏度为：
在Matlab中运行如下语句，得电容-位移关系图（如图6所示）。
x=-1：0.05：1
y=pi-（2*acos（x））+2*x.*（1-x.^2）.^（1/2）
z=2*（1-x.^2）.^（1/2）+（2-2*x.^2）.*（1-x.^2）.^ （-1/2）
plot（x，y，x，z）
注：data1为电容―位移变化趋势曲线；data2为灵敏度变化趋势曲线。
图6 电容-位移关系图
3 结束语
通过改进实验内容，学生增加了实验兴趣，课堂讨论氛围活跃，师生交流机会增多，增强了学生的自主学习能力，开阔了视野。此实验还应注意以下几个问题：
（1）定极板与动极板之间的间距和安装平行度对输出也有明显的影响。间距小、安装平行度好，有利于提高信号质量。电容动片与两定片之间的片间距离需相等，必要时可稍做调整。位移和振动时均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变的问题。
（2）由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时，测微仪虽然回到起始位置，但系统输出电压可能并没有回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向采集。
上述因素都可能导致传感器出现测量误差，设计时应尽量考虑周密，把各种影响降到最小。如保证极板区域形状的一致性，极板材料的均匀性，采用最佳的工作激励频率等[7]。
参考文献
[1] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，1999.
[2] 李宝清，陆德仁.变面积结构微机械电容式加速度传感器[J].中国工程科学，2000，2（2）：38-42.
[3] 李恒灿，李勇.一种变面积型差动电容加速度传感器的设计[J].兰州理工大学学报，2011，37（3）：43-46.
[4] 吴鹏，郭晓菲，陈志高.变面积差动电容式传感器的研究[J].大地测量与地球动力学，2012（S1）：141-142，152.
[5] 浙江大学仪器系.传感器系统实验仪实验指导书[Z].
电容式传感器范文2
关键词：电容式传感器原理及应用行动导向教学课堂设计
中图分类号：G712文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)02(c)-0000-00
0引言
传感器原理及应用是高职院校机电一体化专业的专业课程，主要研究机电控制系统中传感器的应用，根据课程性质，该课程在理清传感器工作原理的基础上，偏重其工业应用，由于目前我院机电专业学生能力参差不齐，对偏重理论的传感器原理理解难度较大，导致对其工业应用把握不住，针对这一情况，我院传感器检测技术课程组老师改变了原有老师讲解为主的传统教学方法，在课堂让学生思维充分动起来，从而使学生从要我学转变为我要学，本为以电容式传感器的课堂教学为例，对偏重工作原理部分内容的课堂设计进行了探索。
1 课程分析
课堂设计首先基于对课程的分析和合理的把握。根据机电专业学生将来的职业岗位进行分析。其将来面临的职业岗位主要有机电设备装配与调试、机电设备维护与维修等。而在任何的机电设备中无疑都有控制系统，传感检测技术作为控制系统的重要环节，是机电专业学生必须掌握的重要技术，所以，传感器课程在机电专业的课程体系设计中，是一门重要的专业课程。
2 学情分析
对于不同的授课对象，理应采用不同的授课方法及手段。本课程的授课对象为高职机电专业学生。根据高职学生的特点分析，学生具有以下特点：学生的学习主动性较差，对理论性过强的知识点理解会存在一定困难；但这些学生喜欢动手，喜欢探索实际应用性的问题，具有较强的挑战性和竞争意识。
3对教材的分析及使用
传感器本身是一门应用性较强的课程，学习的目的就是为了能在实际的机电一体化系统中进行应用。所以，在授课过程中，以够用为尺度，教材仅仅作为参考，在每种传感器的学习过程中，充分利用多媒体资源，给学生展示传感器的实际应用场景，使理论知识在实际应用场合中慢慢渗入。
4 课程教学目标及重难点的把握
教学目标：使学生在理解传感器工作原理的基础上掌握其应用方法和注意事项等。那么，本次课的教学目标就是掌握电容式传感器的工作原理以及它的应用。
教学重点：学生通过本次课堂学习后，能够根据电容的定义式推知电容式传感器的工作原理；掌握电容式传感器的应用。
难点定位：通过分析，本次课的难点就在于它的应用，也就是它的应用功能与其他的传感器有何区别，它在实践中能够解决哪些实际问题。
5 教学过程
“行动导向教学”看似是要让大家都真正的“动”起来。但究其内涵，并非如此。本次课重点在电容式传感器的工作原理及应用，所以本次课对于行动导向教学的设计应该注重学生“思维上的行动”，在课堂上充分发挥学生的主观能动性，引导学生积极思维，从思想上行动起来，把课堂变成老师和学生共同学习，解决问题的场所。
接下是对这堂课具体的过程设计。
（1）回顾总结
在新课之前，设置问题，用悬念引导对已有相关知识的回顾，并导入新课。
如：“要想检测位移，可以用哪些传感器进行检测？”这个问题学生会有很多的答案，因为位移的检测用前面学过的传感器都可以解决。
（2）导入新课
提出新的问题，并在幻灯片上用图片进行展示：指纹识别、汽车安全气囊、飞机油量检测、管道液位高度等等，这些问题用现有的知识能不能够解决？学生通过思考，发现用这些知识还不能够解决这些问题，所以，激发学习好奇心，开始新课的兴趣学习。
（3）书写标题，并顾名思义，化繁为简
在黑板上写下标题“电容式传感器”，并由“电容式”三个字的字面含意去猜测这种传感器的工作原理：设法将被测量的变化转换为电容量的变化。
（4）带着问题引导学生学习
由电容的定义式可知，电容大小决定于：两极板的正对面积、两极板的间距、极板间介电常数三个量。所以，得出结论：电容式传感器可以分为三种基本类型，变面积型、变极距型和变介电常数型。
（5）巧用动画，直观形象
对于每种类型的电容式传感器，提供幻灯片及动画演示，使学生能直观生动地认知学习，切实理解掌握传感器的工作原理。对于传感器中关于灵敏度和非线性误差的相关推导，由学生自己看书，只需得出结论，并知道解决矛盾的办法。总之，在课堂上要教师讲授和学生学习有效结合，提高学习的高效性。
（6）成果验收
以小组的形式基于该传感器设计一个简单的检测系统，小组进行汇报，同学及教师给予评价，以此给学生学习的压力及动力，促使其主动学习。
6 结语
根据高职教育特点，传统的教学模式已无法适应高职院校学生的特点及就业要求，因此，高职专业教师要不断的以就业为导向，实施行动导向的教学模式改革，以不断提高课堂教学的趣味性和有效性，使高职的教学质量上一个新台阶。
参考文献
[1] 姜大源. 关于工作过程系统化课程结构的理论基础[J].职教通讯，2006（1）.
[2] 姜大源. 工作过程系统化课程概念解析[J].中国职业技术教育，2008（27）.
电容式传感器范文3
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0.01um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
3.1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。
3.2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：±2.0g，±0.125g，±0.055g
灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差动输出）
BA-02b2:±90.0V/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0.3%
线性度：优于1%
噪声：小于10μV
动态范围：大于120dB
温漂：小于0.01%g/g
电源：±12V-±15V @30.0mA
体积：Φ43x60mm
电容式传感器范文4
考查目的：电容大小的相关因素，分析电容器带电量与液面高度的关系.
例1 日本核泄漏事故发生后，福岛第一核电站将含有放射性物质的污染水倒入大海，为了测定机组内含高浓度辐射物质积水的深度，电站利用电容式传感器进行测定，如图1所示是测定液面高度h的电容式传感器示意图，E为电源，G为灵敏电流计，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.已知灵敏电流计指针偏转方向与电流方向的关系为：电流从左边接线柱流进电流计，指针向左偏.如果在导电液体的深度h发生变化时观察到指针正向左偏转，则导体芯A所带电量在，液体的深度h在（填“增大、减小或不变”）.
解析：导体芯A、导体芯外面的绝缘物质B与导电液体C组成一个电容，液体深度h的变化跟极板正对面积变化相对应，组成测定液面高度的电容式传感器.
电流计指针向左偏转，说明流过电流计G的电流由左右，则导体芯A所带电量Q在减小.电容器的两极板与电池的两极相连，即两极板间的电压U不变，由Q=CU可知，芯A与液体形成的电容器的电容减小，则液体的深度h在减小（极板正对面积减小）.
答案：减小；减小
点评：电容大小跟相对介电常数、正对面积和极板间距有关，电容式传感器利用液面高度、扭转角度、压力等改变电容大小，进而改变电容上的电压（或带电量）进行测量，求解这类问题时，应弄清液面高度、扭转角度、压力、转速等与电容大小的联系，运用公式
C=
εS4πkd和C=QU
，找出相关物理量的关系.
二、测量角度的电容式传感器
考查目的：电容大小的相关因素，动态情况下分析电容与偏转角度的关系.
例2 传感器可以将一些非电学量转化为电学物理量，便于快速测量，在机械加工时，有时需要测量角度，利用电容式传感器可以快速测量.如图2所示为利用电容C测量角度θ的电容式传感器的示意图，当动片和定片之间的角度θ发生变化时，电容C便发生变化，于是知道了电容C的变化情况，就可以知道偏转角度θ的变化情况，下图3中最能正确反应C和θ间函数关系的是（ ）解析：平行板电容器的电容大小跟相对介电常数成正比，跟正对面积成正比，跟极板间距离成反比，用公式表示C=εrS4πkd，正对面积
S=r22（π-θ），所以C=k（π-θ），C和θ间函数关系如图（B）所示.
保持电容器的两极板与电池的两极相连，即两极板间的电压不变，电容器的带电量
Q=CU∝（π-θ），角度θ增大，则电容器所带电荷量Q减小，进而测量角度.
点评：电容传感器的种类很多：压力传感器、温度传感器、称重传感器、流量传感器、位移传感器、转速传感器，电容传感器应用非常广泛，电容知识与生活、生产等相综合构成丰富多彩的STSE问题，应注意电容知识的运用.
三、电容式话筒
考查目的：分析电容器的电容、带电量与电势差的关系.
例3 电容式话筒已广泛运用于会议、误乐场所，某电容式话筒的原理示意图如图4所示，E为电源，R为电阻，薄片P和Q为两金属极板，对着话筒说话时，P振动而Q可视为不动，
在P、Q间距离增大过程中（ ）
（A） PQ构成的电容器的电容增大
（B） P上电荷量保持不变
（C） M点的电势比N点的低
（D） M点的电势比N点的高
解析：在PQ间距增大过程中，根据电容决
定式
C=εS4πkd
电容式传感器范文5
关键词：生物医学传感器；生物医学信号检测技术；生物医学工程；教学改革
作者简介：谢勤岚（1968-），男，湖北武汉人，中南民族大学生物医学工程学院，教授；李正义（1982-），男，湖北荆门人，中南民族大学生物医学工程学院，讲师。（湖北 武汉 430074）
基金项目：本文系湖北省教学研究项目“生物医学工程专业创新人才培养的课程体系改革研究与实践”（项目编号：JYS11003）的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）03-0096-02
生物医学工程学是一门理工医相结合的交叉学科，它是应用工程技术的理论和方法，研究解决医学防病治病，保障人民健康的一门新兴的边缘科学。[1]“生物医学传感器与检测技术”课程是该专业人才培养体系中的核心课程。它既是一门知识面较宽的综合性理论课，也是一门实践性较强的技术课程。该课程主要讲授生物医学传感器的特性、原理，信号处理与接口电路，传感器在人体生理信号检测中的应用等内容。[2-4]要求学生理解和掌握生物医学传感器的换能原理、感测技术、主要技术指标，生物医学检测技术的原理、基本电路，生物医学传感器与检测技术的基本应用等。
近年来，随着电子技术、微机电技术、新材料和制造技术、信息处理技术的快速发展，各种新型生物医学传感器和生物医学信号检测技术不断涌现，传统的教学内容和教学方法已经不能满足人才培养的要求。为此依据“加强医工结合，注重工程实践教学，培养医疗仪器工程设计能力”的指导思想，对本课程教学内容和教学方法进行了若干改革探索。
一、改革课程体系和教学内容
长期以来，由于缺少相关的专业课程教材，“生物医学传感器与检测技术”课程的教材基本上是使用电子信息类、检测技术与仪表类、自动化类专业的传感器与检测技术教材，[5-7]教学内容也是对这些教材的教学内容进行相应的增删后形成的。这些内容主要讲授各种传统物理类传感器原理和测量电路，缺少与生物医学工程专业相关的有针对性的教学内容。根据生物医学专业的特点，结合近年来出版的几本相关教材，[2-4]对该课程的教学要求、教学内容进行了调整，将该课程内容划分成4个模块组织教学。
1.概述和传感器特性模块
概述和传感器特性模块对医用传感器的作用、分类、要求、发展等内容进行了概述性的介绍。针对生物医学信号的特点，介绍了传感器的基本特性，包括静态特性、动态特性、动态特性分析、传感器的误差、数据处理方法等重要内容。
2.传感器原理模块
传感器原理模块除了讲授应变式、压电式、磁电式、热电式和光电式等经典的物理类传感器的基本原理外，还增加了三类重要的传感器内容：化学传感器、医用电极和生物传感器。化学传感器和生物传感器融合了化学、生物学、医学、物理学和信息学等相关学科，已经发展成为生物医学传感器中两个活跃的研究领域。医用电极在医疗仪器和生物医学科学研究中得到了广泛的应用。生物传感器除了讲授生物传感器的基本概念和类型、生物敏感材料的固定化等基本内容外，主要讲授了若干应用广泛的生物传感器，另外还介绍了一部分新型的生物传感器，以及生物传感器近年来最新的研究成果。[2]
3.检测技术基础模块
检测技术基础模块讲授基本的测量与处理电路，包括传感器接口电路、信号放大电路、信号选择电路、信号运算电路、信号调理电路、信号变换电路、驱动电路等。另外，增加了测量方法、测量系统结构等内容。
4.传感器和检测技术应用模块
应用模块增加了生物医学信号的特点、生物医学测量系统的基本构成、生物医学测量中干扰和噪声的产生与抑制、人体生理信号检测的基本要求等教学内容。重点放在生物医学传感器在人体生理信号检测中的应用等内容上，如心音传感器和脉搏传感器、多普勒频移血流计、生物电放大基础，以及心电图测量、脑电图与肌电图测量、血压的测量、血氧饱和度和心输出量的无创伤测量方法等重要内容。而超声波成像系统和X-CT断层扫描系统原理、电刺激和心脏起搏等内容则可以考虑在后续课程中学习。
以上四个模块的教学内容和教学时间大致如表1所示。根据专业人才培养方案和教学实际，可以由一门课在一个学期完成，也可以分成2～3门课程在2个学期完成。目前按前一种方案组织教学。
新的教学内容具有如下特点：第一，注重基本理论与临床应用相结合。对每类传感器都介绍若干临床应用或医疗仪器部件作为实例，使学生对传感器的应用有全面的了解和认识。第二，注重培养学生分析实际问题的能力。针对不同的被测对象，不仅介绍选择什么类型的传感器，还介绍如何选择信号处理与接口电路，提高了学生对传感器和检测电路的正确选择能力。第三，注重培养学生的临床应用和工程设计能力。
二、改革教学模式和教学方法
相对于教学内容的改革，“生物医学传感器与检测技术”课程教学模式的改革有更重要的意义。因为除了数据处理等理论内容之外，该课程的大部分内容都是工程应用型的内容，学生理解这些内容相对容易，也容易自学没有讲授的内容。但由于内容繁杂，学生如何在短时间内掌握这些内容，并能熟练使用所学内容进行医疗仪器设计，则是仍然没有解决的问题。
1.采用“从系统到单元，以检测对象为中心”的教学模式
传统的课程教学模式对于“生物医学传感器与检测技术”这样的课程来说，确有不合适之处。学生学习完整个课程之后，不能建立传感器、检测电路、检测方法与医疗仪器之间的内在联系，更不用说用这些知识来设计医疗仪器的单元或模块。因为教学是以分散的元件或电路作为授课内容的，学生没有从系统的观点来学习和掌握这些基本内容，因而学习的知识是零散杂乱的。为此笔者在教学中提出了“从系统到单元，以检测对象为中心”的教学模式。
以血压测量为例。以某种无创血压模块为授课对象，在课堂上教师主要讲授血压测量模块的原理、电路框图、压力传感方式等系统级内容，要求学生将系统进行分解，直至每个单元和元器件。学生通过分解、分析，不仅了解了测量原理，还掌握了压力传感器、放大电路、接口电路、显示电路等主要内容。另外，学生通过思考、分析、比较，还可以进一步提出了若干改进措施。相对于传统的教学模式，这种教学模式有明显的效果。
2.结合使用多媒体教学与板书形式等多种授课形式
多媒体教学是一种现代教学方式，具有形象直观、信息量大等优势，但传统的板书教学方式有其固有的优点。两种教学方法的有机结合，可以很好地调动学生的学习积极性，集中学生的学习注意力，提高教学效果。采用多媒体教学和传统板书教学手段相结合的方式，例如对于传感器的外形、结构及生物医学应用等，通常采用多媒体的图片和动画展示，增加学生的感性认识；而对于传感器的测量原理、基本测量电路、设计公式的推导，往往采用传统板书的方式，有助于学生更好地理解和掌握。
3.加强实践教学
“生物医学传感器与检测技术”课程教学对实验和实践环节的要求较高。学生需要通过验证性实验教学来掌握传感器的原理和性能、测量电路的原理等基本知识；通过综合性和设计性实验教学来掌握传感器的使用方法、测量电路的设计和调试等基本工程技能。在教学过程中，根据课程教学内容和教学进度，穿插安排实验教学，保证每一个理论知识点都可以通过相应的实践教学来达到从理论知识到应用能力的转化。
在基础实验的基础上，增加了综合性、设计性实验等自主性实验内容。通过实践，学生锻炼了分析和解决问题的能力，提高了综合和总结的能力，加深了对所学理论知识的掌握程度。
此外，在课程设计教学中，还结合传感检测技术应用与医疗仪器设计的相关知识和能力要求，提出课程设计题目。学生通过自主设计，选择不同的传感器和测量电路来实现要求的任务，可以进一步提高学生提出问题、解决问题的能力，并进一步锻炼其工程设计能力。
三、结束语
对“生物医学传感器与检测技术”课程的教学内容和教学方法进行了若干改革，取得了一些有益的教学成果。补充教学内容拓宽了课程教学内容，分块调整教学内容完善了课程体系，使其更适合于生物医学工程专业的人才培养目标。“从系统到单元，以检测对象为中心”的教学模式、实验和课程设计相结合的教学方法提高了学生的专业感知度，锻炼了学生的医疗仪器工程设计能力。近3年的教学实践证明，这些改革提高了教学效果，有较好的推广价值。
参考文献：
[1][美]JohnD.Enderle，SusanM.Blanchard，JosephD.Bronzino.生物医学工程学概论（第2版）[M].封洲燕，译.北京：机械工业出版社，2010.
[2]王平，刘清君.生物医学传感与检测[M].浙江：浙江大学出版社，2002.
[3]陈安宇.医用传感器（第二版）[M].北京：科学出版社，2008.
[4]杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M].北京：化学工业出版社，2009.
[5]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，
2002.
电容式传感器范文6
【关键词】加速度计 电容 传感器
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-254-01
一、前言
MEMS是英文Micro Electro Mechanical Systems的缩写，即微电子机械系统，是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪新型多学科交叉的前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术 ，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。它研究的主要内容包括微型传感器、微型执行器和复杂的微系统 ， 微机电系统技术的发展开辟了一个全新领域和产业，在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景，它对21世纪的科学技术，人类生产和生活方式将产生革命性影响，并在未来高科技战争中扮演着举足轻重的角色，是关系国民经济发展和国家安全保障的关键技术。利用MEMS技术，可以制成准确检测病变的基因芯片、比手掌还小的飞行器、重量仅有几十克的微小卫星……我们这里讨论的微加速度计就是MEMS技术具体应用，顾名思义微加速度计就是来测量加速度的，实际应用中目的往往并不是测量加速度，而是速度，进而可以测量出直线位移，结合陀螺仪（MEMS的一种，用来测量角速度的），可以准确定位，这在航空航天，导弹制导等方面有广泛的应用。
二、MEMS结构模型
MEMS加速度计主要有两部分：微电子技术加工的电容性机械振动系统（Micro Electro Mechanical System）和带有闭环反馈的信号转换控制ASIC（Application Specific Integrated Circuit 特定用途集成电路）系统。
2.1 基本电路原理
MEMS传感器有开环和闭环两种。
该加速度传感基于电容变化原理，惯性质体将加速度作用进行放大并转换成电容极板的位移。差动电容的变化通过检测电路变成电信号，在经过力平衡回路反馈。激励可移动的电容极板始终处于平衡位置。反馈信号同时作为输出，它表明了输入加速度的大小。
2.2 MEMS机械系统结构分析
为了提高加速度计的工作灵敏度，通常采用电容式结构。我们这里所研究的加速度计属于电容式结构的一种；采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度，它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。质量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。
三、MEMS工作原理
加速度计的工作原理可概述如下：当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。
四、MEMS的应用
MEMS具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
4.1微机械压力传感器
微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。
4.2微加速度传感器
硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作，如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。
4.3微机械陀螺
角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。这种陀螺仪的精度很高，但它的结构复杂，使用寿命短，成本高，一般仅用于导航方面，而难以在一般的运动控制系统中应用。
4.4微流量传感器
微流量传感器不仅外形尺寸小，能达到很低的测量量级，而且死区容量小，响应时间短，适合于微流体的精密测量和控制。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式（包括热传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振式3种。
4.5微气体传感器
根据制作材料的不同，微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底，敏感层为非硅材料，是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。
五、结论
用MEMS技术加工制作的微结构传感器具有微型化、可集成化、阵列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生产、可实现多点多参数检测等一系列优点，受到各国研究者的重视。尽管目前开发的传感器还有某些不足之处，例如灵敏度低、工作温区窄、精度不高。但是，随着科研工作者的深入研究，在不久的将来必有更多结构更新、性能更优异的实用化的传感器问世
参考文献：
[1] 沈景春 ，MEMS数字检波器结构与原理分析，2008年。
[2] 黄庆安，硅微机械加工技术，科学出版社，1996年。
