前言：中文期刊網精心挑選了電容式傳感器范文供你參考和學習，希望我們的參考范文能激發你的文章創作靈感，歡迎閱讀。
電容式傳感器范文1
0.概述
我們所處的時代是信息時代，信息的獲取、檢測要靠傳感器和傳感技術來實現。傳感器越來越廣泛地應用于航空、常規武器、船舶、交通運輸、冶金、機械制造、化工等技術領域。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。壓力傳感器是目前所有傳感器種類來說，是使用最多的傳感器，它的市場占有量也不不可估量的，那么它的各項技術也得根據市場需要，進行不斷的改進和完善，以適應各個領域越來越苛刻的環境。
1.電容式壓力傳感器工作原理及其數學模型
1.1結構介紹
電容式壓力傳感器主要由一個膜式動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動電容器即敏感元件。敏感元件是由隔離膜片、電容固定極板、測量膜片、灌充液組成，以測量膜片為中心線軸對稱，測量膜片與兩側的金屬模構成一對相等的平行板電容。如圖1所示。
圖1 敏感元件結構圖
1.2工作原理
當被側壓力或壓力差作用于膜片并產生位移時，形成的兩個電容器的電量一個增大、一個減小。該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力差相對應的電流或電壓的變化。
圖2 電容式壓力傳感器工作原理圖
1.3壓力—電容轉換
如圖3所示，被測壓力通過高壓側隔離膜片，加到灌充液，液體流過瓷心孔進入腔室，將壓力加到測量膜片上，膜片受力后發生位移，測量膜面與兩側構成的電容值隨之變化，低壓側電容增加，高壓側電容減少。
圖3 平行板電容器
厚膜片位移與差壓轉換關系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系數；R：膜片周邊半徑；d：膜片中心處位移
t：膜片厚度；P：被測差壓；E：膜片材料的楊氏彈性恒量
薄膜片具有初始張緊，其位移與差壓轉換公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差壓作用于室時，中心膜片的位移 與差壓成正比。
1.4位移—電容轉換
由于固定極板凹面直徑很大，可視為平行板電容器，平行板電容C=。
ε為平行板中間介質的介電常數；
A平行板電容的面積；
d平行板電容兩端間距。
PH：高壓室所受壓力；PL：高壓室所受壓力。
當兩邊壓力相等時即PH=PL，初始電容量C=C=K
當PH>PL，測量膜片位移為d，此時低壓側的電容為C=K（d0-d），高壓側電容為CH=K（d0+d），取=
d·K2=
（公式3）
由公式2、公式3可知P·K·K=
（公式4）
改變結構系數K1即可實現不同量程的測量，將位移量轉換成
的變化。
1.5電容比—電流的轉換
解調器將流過CL、CH的交流電流解調成直流電流IL、IH，原理圖如圖4
圖4
2.電容式壓力傳感器的性能
2.1靜態特性
當被測量X不隨時間變化，或隨時間的變化程度遠緩慢與傳感器固有的最低階運動模式的變化程度時，傳感器的輸出量Y與輸入量X之間的函數關系。因為這時輸入量與輸出量都和時間無關，所以他們之間的關系即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量做橫坐標把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
2.2動態特性
當被測量X隨時間變化，而且隨時間的變化程度與傳感器固有的最低階運動模式的變化程度相比不是緩慢的變化程度時，傳感器的輸出量y與輸入量X之間的函數關系。
在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。
3.影響電容式壓力傳感器精度的因素
電容式壓力傳感器直接接觸或接近被測對象而獲取信息，與被測對象同時都處于擾的環境中，不可避免地受到外界的干擾。壓力傳感器如果說它的抗干擾能力不過硬，那么在它的價值上，也是個相差很大的，因為的應用范圍受了很大的限制，所以市場前景也是得不到擴大的，提高抗體干擾性是不容忽視的問題。
3.1溫度影響
由于電容式傳感器極間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線性膨脹系數不匹配的情況下，溫度變化將導致極間隙較大的相對變化，從而產生很大的溫度誤差。為減小這種誤差，應盡量選取溫度系數小和溫度系數穩定的材料，如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金。近年來又采用在陶瓷或石英上進行噴鍍金或銀的工藝。化工冶金鍋爐等高溫環境下的壓力測試還可以通過改善敏感元件電容器的物理特性改變傳感器的尺寸進一步提高傳感器的工作范圍靈敏度等。
3.2靜壓影響
金屬電容兩邊受壓，壓力經隔離膜片傳遞到內部中心膜片上。從圖5可以看出傳感器內部的壓力從中心向四周方向分布，X方向的應力得到全部抵消，但是Y方向的應力q全部加在傳感器的外殼上。由于結構尺寸的原因，越靠近中心結構越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處結構強度最為薄弱。在高靜壓下，中心點處產生一個最大的擾度。在高靜壓下中心膜片向外的張緊力增加，膜片的緊繃程度相對工作靜壓為零時得到加強，并且工作靜壓越大其緊繃程度越大，中心膜片隨差壓的位移變小，產生誤差。并且靜壓影響絕對誤差，工作靜壓越大其量程的靜壓誤差越大。至于零位的靜壓誤差，則表現為方向的不確定，這主要由焊接應力和傳感器的個性相關，不具有規律性。通過提高制造加工精度來減小靜壓誤差。
圖5 應力分布和擾度變化圖
3.3邊緣效應的影響
邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。為了消除邊緣效應的影響，可以采用帶有保護環的結構。保護環與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間各種區得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一層金屬膜作為極板。
3.4寄生電容的影響
電容式壓力傳感器測量系統寄生參數的影響，主要是指傳感器電容極板并聯的寄生電容的影響。由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就要相對大得多，往往使傳感器不能正常使用。消除和減小寄生電容影響可縮小傳感器至測量線路前置極的距離將集成電流的發展、超小型電容器應用于測量電路。可使得部分部件與傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值也固定不變了。 [科]
【參考文獻】
[1]劉沁，周東旭，張治國，匡石，李新.電容式壓力傳感器的線性化校正與溫度補償.儀表技術與傳感器，1002-1841（2010）11-0001-02.
[2]徐堅.金屬電容式傳感器的靜壓影響誤差.自動化儀表.TP202.201103.
[3]李繼文.加速度傳感器集成電路ADXL05及其應用[J]國外電子元器件，1996，（08）.
電容式傳感器范文2
關鍵詞：油； 油液檢測； 介電常數； 電容傳感器
中圖分類號：TN919-34 文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2011)20-0164-03
Study on Detection Method of Lubricating Oil Quality by Parallel Electrode Capacitance Sensor
HOU Xiao-ya, ZHANG Ying-tang, LI Zi-ning
(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)
Abstract：The microcosmic cause of dielectric constant changes is analyzed. Based on this principle of dielectric constant measurement, in order to measure lubricating oil quality, considering SNR and other factors, the parallel electrode capacitance sensor was designed. The testing experiments were carried out on the lubricating oil sample in different application period with resonance method. The windage of maximun deviation is 4.8%. The data is processed by using formula which takes axial edge effect into account. The results show that changes of lubricating oil's dielectric constant can be detected effectively without changing the oil tube in the machine, which can provide reference for estimating the state of lubricating oil.
Keywords： lubricant lubricating oil monitoring; dielectric constant; capacitance sensor
油在使用一段時間后，由于外界雜質的侵入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因［1］，會使油液的介電常數值發生變化。使用電容傳感器測量油液的介電常數可以反映油品質、磨損故障等信息。當前的離線油質分析儀不能完全準確地反映整體油液的質量信息，在油液中磨粒較大、分布不均勻的情況下尤為明顯。本文設計了一種用于現場快速檢測的電容傳感器，該傳感器成本低廉、使用方便，外接電路后可快速檢測油的使用狀況。
1 油介電常數測量原理
油是一種復雜的烴類混合物，可以把它作為┮恢值緗櫓世純悸恰K孀湃蠡油使用期的增加，其性能衰變主要體現在以下幾個方面：
（1） 油內部組分長期與空氣接觸發生氧化反應；
（2） 粘度指數改進劑、抗氧劑、抗磨劑等添加劑損耗；
（3） 外部污染，包括水污染、乙二醇污染、固體顆粒污染等。
油被氧化、添加劑損耗會導致分子極性變化；水的進入會產生H+，OH-離子；酸值的變化伴隨著H+，RCOOˉ離子的產生；金屬磨粒會產生自由電子［2］。以上幾種因素均會不同程度地改變油液內部極化成分的數量，從而導致介電常數值的變化，所以介電常數是反映油液老化、被污染以及磨損狀況的一個綜合參數。
電介質的介電常數大小可通過測量平行板電容器的電容來間接獲得。對于如圖1所示的平行板電容器，多數文獻采用了以下公式表達電容與內部介質的介電常數關系：
ИC=ε0εrS/d（1）И
式中：Е弄r為內部介質的相對介電常數；ε0為真空介電常數；S為極板面積；d為兩極板間距。
上述公式是在極板長度a，寬度b遠大于極板間距d的情況下推導出的，此時由于邊緣效應影響而引起的附加電容可以忽略不計。但在實際應用中，因測量空間的限制，極板不可能為無限大。根據文獻［3］的研究成果，有限尺寸的平板電容器，計及邊緣效應的電容近似表達式為：
ИC=εabd+εaπ1+ln1+2πbd+ln1+2πbd+
εbπ1+ln1+2πad+ln1+2πad（2）И
又Е=ε0εr，所以上式可改寫為：
ИC=Kεr （3）И
由此可以看出電容值C與介質的相對介電常數εr具有理論上的線性關系，通過測量內部充滿油的電容器的電容值,就可以確定機油品質的劣化程度。
圖1 平板電容器模型
2 電容傳感器設計
考慮到現場離線快速檢測的便捷性、穩定性要求，傳感器采用平行極板式結構，其基本形狀示意圖如圖2所示，主要由一對平行極板、外部固定裝置和一個有機玻璃油槽組成。接線柱內嵌銅芯，與極板焊接在一起。由于在下一步的方案規劃中，擬加入光電檢測模塊，所以在傳感器左右兩側設計了凹槽，以使激光穿過油液，測量透光率。為避免外界電磁干擾，電極外面加上金屬屏蔽罩。
圖2 電容傳感器示意圖
對于傳感器材料的選擇和尺寸的確定主要考慮以下因素：
（1） 用于電容傳感器的電極材料主要有炭材料、金屬氧化物和導電聚合物。本文選擇成本低廉、導電性好、溫度系數低、容易獲取和加工的銅作為極板材料，并根據其標準規格和靈敏度要求確定極板厚度P=0.5 mm。
（2） 極板尺寸和間距決定了傳感器的大小和被測油量的多少。使用中的油是成分復雜的混合物，尤其是摩擦產生的磨粒，大小和分布并不均勻。為了使測量更加準確，顯然取油量越大越好，但現場操作又要求用最少的油樣數量獲得滿意的數據，而且小型化的傳感器更利于制成便攜式檢測系統。為了減弱邊緣效應的影響，極板間距要盡量小，但間距的減小勢必導致極板被擊穿的可能性增加。綜上所述并參考文獻中的設計經驗，初步確定極板長a=50 mm，寬b=30 mm，間距d=20 mm。
（3） 油槽材料選擇有機玻璃［3］，化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯，這種材料表面光滑度高，不易粘著油液中的污染物，清洗方便；透射率高達92~93%，可透過可見光99%；強度高，韌性好，易于加工；能耐一般的化學腐蝕。根據加工的要求和有機玻璃的標準規格，擬定油槽壁厚為1.5 mm。
（4） 聚四氟乙烯具有較高的機械強度和良好的絕緣性，且成本低、介質損耗小，因此選用該材料加工成固定裝置［4］。
3 實驗驗證
采用諧振法對傳感器進行了測試，測試電路由振蕩電路、低通濾波放大電路、單片機計數器及顯示模塊組成，如圖3所示。振蕩電路將傳感器的電容變化轉化為頻率的變化，此頻率信號經濾波放大和分頻后送入單片機計數器，由單片機進行數據處理，將得到的電容值顯示在LCD上。測量之前要保證油槽的干燥以防混入水分，被測油樣分別取自某型號柴油發動機和變速箱。
從表1中數據可看出，實驗結果重復性很好，2種不同介質多次測量結果標準差分別為0.207，0.351，最大偏差分別為3.1%，4.8%，說明在確定的實驗條件下，測得的數據是可靠的。空氣的相對介電常數可視為1，從表中數據也可計算出傳感器的雜散電容大約為6.9 pF。對不同使用期的油樣進行了測量，每種油樣均采用多次測量求平均值的方法得出最終數據，實驗結果如表2所示。
根據式(2)計算油樣的相對介電常數值，計算時需減去雜散電容［4］。繪制油品相對介電常數與使用期的關系曲線，如圖4所示。
4 結 語
本文基于介電常數測量原理研制了一種用于油現場快速檢測的電容傳感器，該傳感器具有以下優點：結構簡單，不需要復雜的制造工藝，而且所選擇的材料價格低廉；取油方便，不必對機器內部油路進行拆裝即可實現現場快速檢測；極板間電場強度相對均勻，這就使各種極化成分在檢測場內的空間位置對測量結果的影響較小；玻璃油槽將油液與極板隔開，防止對極板造成污染，測量后容易清洗，避免了污染物沉積影響測量精度。實驗驗證了其穩定性和有效性，對于合理標定換油閾值、實現按需換油，具有重要的應用價值。
參考文獻
［1］MANG T, DRESEL W.劑與［M］.北京:化學工業出版社,2005.
［2］李紅旗.基于介電常數的車用油在線監測方法研究［D］.長春：吉林大學,2007.
［3］王連海.平行板電容式原油含水率儀的設計與開發［D］.北京：中國石油大學,2007.
［4］劉凱.油液在線監測電容傳感器的研制及在線測試方法研究［D］.沈陽：沈陽理工大學,2008.
［5］蒙文舜,楊運經,劉云鵬.電容傳感器的原理及應用［J］.現代電子技術,2003,26(13):105-108.
［6］RAADNUI Surapol, KLEESUWAN Srawut. Low-cost condition monitoring sensor for used oil analysis \// Proceedings of . 15th International Conference on Wear of Materials. \: ICWM, 2005: 1502-1506.
［7］張曉飛,楊定新,胡政,等.基于電介質介電常數測量的油液在線監測技術研究［J］.傳感技術學報,2008,21(12):11-17.
［8］李建波,萬加富.基于單片機的數字化油檢測儀［J］.煤礦機械,2008(22):6-10.
［9］肖志紅.平板式電容傳感器測量電路研究［J］.現代電子技術,2004,27(17):97-99.
［10］陳永真,李錦.電容器手冊［M］.北京:科學出版社,2008.
電容式傳感器范文3
本文采用的是電容法測液位。傳感器和變送器部分是本論文的主要研究內容，首先對傳感器和變送器部分進行了設計，變送器設計應用了模擬電路技術和數字電路技術。其中電容信號檢測電路采用的是由兩片555定時器構成的脈寬調制法。
本文控制裝置采用的是S7-200控制器和上明牌ZDSM系列電動調節閥。通過此控制裝置實現了對液位的閉環PID控制。另外在容器的上、下限位處分別安裝液面傳感器可實現對上、下限位的報警。
關鍵詞：液位檢測；電容式傳感器；變送器；控制裝置
第一章 系統整體設計
以單個容器為例，具體的框圖如圖1.1所示。其中電容式傳感器位于容器中，變送器位于容器頂。其中本課題涉及到的硬件主要包括電容式傳感器、電容檢測信號和變送器，其次是控制器和電動調節閥。軟件設計就是對PLC的編程，軟件較硬件簡單，通過硬件設計和軟件編程以實現對液位系統的閉環PID控制，使整個系統具有很好的穩定性。另外，當控制裝置出現故障時，還可通過手動調節電動調節閥的開度。
圖1.1 系統原理框圖
在液位控制系統中，用電容式傳感器檢測液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉換為標準量程的電流信號，然后送給模擬量混合擴展模塊(EM235)，經A/D轉換后得到與液位成比例關系的數字量，CPU將它與液位設定值比較，并按PID控制規律對誤差值進行計算，將運算結果（數字量）送給模擬量混合擴展模塊,經D/A轉換后變為電流信號，用來控制電動調節閥的開度，通過它控制進水量，實現對液位的閉環控制。
第二章 電容式傳感器的設計
對于電容傳感器，設計時可以從以下幾方面予以考慮。
1.減小環境溫度、濕度等變化所產生的誤差，保證絕緣材料的絕緣性能。
環境溫度變化使電容式傳感器內各零件幾何尺寸和相互間幾何位置及某些介質的介電常數發生改變，從而改變傳感器的電容量，產生溫度附加誤差。濕度也影響某些介質的介電常數和絕緣電阻值。因此，必須從選材、結構、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。
電容式傳感器的金屬電極材料以選用溫度系數低而穩定的鐵鎳合金為好，但難以加工。也可以采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應極為有利。
傳感器內電極表面不便經常清洗，應加以封裝，用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代替密封件而起保護作用，可防塵、防熱、防濕、防腐蝕，并且在高溫下可以減少表面損耗，降低溫度系數，但成本較高。
電容式傳感器的容抗都很高，特別是當電源激勵頻率較低時。當兩極板間總的漏電阻若與此容抗相近時，必須考慮分路作用對系統靈敏度的影響，所以傳感器內，電極的支架除要有一定的機械強度外，還要有穩定的性能。因此，選用溫度系數小和幾何尺寸長期穩定性好，并且具有高的絕緣電阻、低的吸潮性和高的表面電阻的材料，例如云母、石英、人造寶石及各種陶瓷作支架。雖然這些材料較難以加工但性能遠高于塑料和有機玻璃等材料。在溫度不太高的環境下，可以考慮選用聚四氟乙烯材料作支架，其絕緣性能較好。
電容式傳感器的電介質應盡量采用空氣或云母等介電常數的溫度系數近似為零的電介質（也不受濕度變化的影響）。若采用某些液體如硅油、煤油等作為電介質，當環境溫度變化時，它們的介電常數隨之改變，產生誤差，這種溫度誤差雖然可以用后接電子線路加以補償（如采用與測量電橋相并聯的補償電橋），但不易完全消除。
可以用數學關系式來表達溫度變化所產生的誤差，作為設計依據，雖然比較繁瑣，但可以借助計算機處理。
傳感器的電源頻率采用50kHZ至幾兆赫，可以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。還應指出，由于電容傳感器的靈敏度與極板間距離成反比，因此初始距離都應盡量取的小些，這不僅增大加工工藝的難度、減小了變換器作用的動態范圍，也增加了對支架等絕緣材料的要求，這時甚至要注意極間出現的電壓擊穿現象。
2.消除和減小邊緣效應與泄露電容的影響
電容器的邊緣效應使設計計算復雜化、產生非線性以及降低傳感器的靈敏度。消除和減小的方法是在結構上增設防護電極，防護電極必須與被防護電極取相同的電位，盡量使它們同為地電位。還可以將電極板做得盡量薄，使其極間距相應減小，從而減小邊緣效應。
電容式傳感器的電容量及其工作時的電容變化量都很小，往往小于泄露電容。所謂泄露電容，主要由兩部分組成：電容器的極板與其周圍導體構成的寄生電容以及引線電容（電纜電容）。這些泄露電容不僅降低了傳感器的靈敏度，而且它的變化是虛假的，且隨條件而變，很不穩定，從而會引起較大的測量誤差，必須消除或減小它。 （2）消除電纜電容的方法有：將測量線路的前級安放在緊靠傳感器的地方，或利用集成技術將它們組合在一個殼體內，以減小或省去電纜長度和電纜位置變化的影響；對于圓筒式傳感器可采用接地屏蔽措施，克服不穩定的寄生電容的影響。屏蔽和接地時必須注意避免電極移動時，高電位極板與屏蔽間電容的變化，以防止造成虛假的輸出信號。圖2.1畫出了圓筒形電容式傳感器的接地屏蔽方式，圖中可動電極處于地電位，這樣既解決了可動電極的絕緣處理問題，又可以保證電極移動時與屏蔽間的電容不變。
圖2.1圓筒形電容傳感器的接地屏蔽示意圖 其中圖中，， 。所以總電容量C為式為：
&n bsp;
。這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度成正比。
圖2.2圓筒式電容式傳感器電極
本設計中電容極板的材質采用銅，也是制作PCB板的材料，因為銅與金和銀在元素周期表中同屬一族，因而具有與貴金屬相似的優異物理和化學性能。它塑性好、易加工、耐腐蝕、無磁性、美觀耐用、特別是，銅的導電和導熱性除略遜于銀以外，是所有金屬中最好的。由于銀比較昂貴，因而銅是被廣泛應用的最佳導電體和導熱體。
第三章 變送器設計
3.1 電源電路設計
供電電源電路如圖3.1所示：
圖3.1 供電電源電路
3.2 電容檢測電路設計
本文中所用的電容檢測電路是由兩片555構成的脈寬調制法。
圖3.2 由555構成的脈寬調制法原理圖
脈寬調制法的電路原理圖如圖4.2所示。它是用一片555定時器和一些阻容組成多諧振蕩器，另外一片555定時器、待測電容和一些阻容組成單穩態觸發電路。多諧振蕩器的輸出作為單穩態觸發器的輸入信號，這樣單穩態觸發器就輸出一個占空比與被測電容成正比的脈沖。而單穩態輸出脈沖的占空比由于輸出電壓平均值有關，因此只要檢測出電壓平均值就可以反應被測電容的大小。
該方法的主要優點是電路簡單、價格便宜、測量方便，具有一般的測量準確度。主要缺點是不能自動調零，線性度差。
3.3 電壓轉換電路
圖3.3電壓轉換為電流信號原理圖
因為運算放大器具有高輸入阻抗的特性,因而運算放大器的兩輸入端的電流和可以近似為零。
因運算放大器的輸入阻抗高，故流經R10的電流近似為零，又由虛短和虛斷可知，V0及第二個變送器的輸出電壓相等。對第三個運算放大器和電壓跟隨器應用同樣的原理，并設輸出電流為I。可得
令 可得 ,即
由 OUT= ，又可得
第四章 控制裝置
在液位閉環系統中，用電容式傳感器檢測液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉換為標準量程的電流信號，然后送給模擬量混合擴展模塊(EM235)，經A/D轉換后得到與液位成比例關系的數字量，CPU將它與液位設定值比較，并按PID控制規律對誤差值進行計算，將運算結果（數字量）送給模擬量混合擴展模塊,經D/A轉換后變為電流信號，用來控制電動調節閥的開度，通過它控制進水量，實現對液位的閉環控制。
電動調節閥采用上明牌ZDSM系列直行程電動套筒調節閥，由套筒閥配用德國進口PS系列電動執行機構組成。
任開春,涂亞慶.20余種液位測量方法分析[J],工業儀表與自動化裝置,2003,(5):12~16.
姚振東,朱勇.電容傳感器在液位測量中的應用[J],傳感器世界,2000,(9):4~7.
招惠玲,周美娟,胡遠忠.電容式液位測量系統的設計[J],傳感器技術,2004,23(3):40~42.
江冰,顧明.基于充放電原理實現的微電容測量電路[J],電氣電子教學學報,2002,24(3):30~34.
陳裕泉, [美]葛文勛.傳感器與傳感器技術[M].北京:科學出版社,2007.
康華光主編.電子技術基礎（數字部分）[M].北京:高等教育出版社，2005.
電容式傳感器范文4
關鍵詞:傳感器加速度電路設計
1課程標準對于傳感器一章的要求
《普通高中物理課程標準（2017年版）》對于傳感器一章的要求為：知道非電學量轉換為電學量的技術意義；通過實驗，了解常見傳感器的工作原理，會利用傳感器制作簡單的自動控制裝置；列舉傳感器在生產生活中的應用。可見，課程標準從學科學業要求的層面提高了對傳感器的重視程度。傳感器是物理知識和技術應用兩個領域的重要交叉點，一方面蘊含了豐富的物理知識與思想，另一方面體現了技術在日常生活中的應用，與新高考評價體系“一核”“四層”“四翼”的要求高度契合，充分體現了基礎性、綜合性、應用性和創新性。本章從實際情境中習得知識、運用知識，與新課程、新高考理念契合，教師們需對本章節給予足夠的重視。由于智能手機的普及，傳感器作為被研究的對象或科學探究的工具，為學生提供了豐富的課后研究空間。如何找到切人點將傳感器與課程教學、學生活動有機結合，是本文討論的重點。
2中學階段傳感器的應用
當前中學階段有關傳感器的應用，多集中在實驗儀器方面，例如用DISlab或PASCO系統設計教具及實驗輔助教學，用智能手機內置的傳感器進行實驗探究等。集成化傳感器的應用體現了現代科技服務于學科教學，為教與學拓寬了深度和廣度，也為學生的自主探究提供了技術手段上的支撐。通過傳感器輔助演示實驗，更清晰地展現實驗現象和實時采集的數據，讓學生對實驗有更深刻的認識，也更容易理解物理規律；同時，學生在親自動手實驗過程中，學會使用傳感器去測量某些物理量或設計實驗，提升了科學探究核心素養。
3教師研究傳感器的新方向
在拓寬傳感器應用的基礎上，嘗試挖掘傳感器背后的工作原理，將技術與物理原理相結合，是中學教師研究傳感器的新方向，也為命題與教學設計提供了新思路。引導學生用已有的物理知識去理解、解釋常見傳感器的基本原理，可從物理觀念層面提升學生的物理學科核心素養。傳感器通過電路進行測量與控制，恰好是學生加深理解相應物理規律、領悟電路設計思路的重要載體。例如，霍爾元件在磁場中產生的霍爾電壓與什么因素有關；如何通過測出的數據繪制的電壓－時間圖象算出轉速等。傳感器是將非電學量轉換為電學量的元件，轉化法是科學思維中的重要方法。如何實現這一轉化，則是在設計傳感器時要解決的核心問題。例如，位移傳感器是通過測量什么物理量來測量位移的？物理量間的轉化，是科學探究中經常面臨的問題，對該問題的深人思考，有助于拓寬解決問題的思路，提升學生的思維水平。下面將以加速度傳感器為例，介紹如何從設計原理和物理量的轉化入手，挖掘傳感器的教學價值。
4基于實際情境的設計——加速度傳感器
加速度傳感器在生活中有重要作用，例如控制？22？汽車安全氣囊的彈出需要迅速、精準地測量加速度。如何方便且準確地測量加速度呢？測量加速度主要基于兩種原理：一是運動學公式《＝二是牛頓運動定律a＝f。高中物理常見的測量方案是用打m點計時器記錄物體運動的位置和時間信息，通過運動學公式求解。但受精確度和可操作性的限制，無法滿足生活實踐的需要。利用牛頓運動定律設計傳感器，則需要實時測量物體所受的合外力，并轉化為電學量輸入控制電路。常見的加速度傳感器主要有電阻式、電容式、應變式、壓電式等。考慮到與高中物理知識的關聯性，本文選擇電阻式和電容式傳感器作為教學素材，兩者測量加速度的方式相似。如圖1所示，物體與固定的彈簧連接，彈簧形變改變物體的受力情況，將測量合外力轉化為測量彈簧的形變量，再通過彈簧形變引起接人電路的電阻或電容變化，將彈簧形變量這一非電學量轉化為電壓、電流等電學量，實現彈簧形變量的測量，再由胡克定律算出彈力從而得到物體的加速度。在電容式加速度傳感器中，與彈簧相連的極板會隨著受力情況的改變靠近或遠離另一固定的極板，通過測量電容器的充放電情況，便可反推出物體的加速度大小和方向。課程標準對電容式加速度傳感器的要求較低，只需定性分析原理，將慣性、加速度與平行板電容器的充放電聯系起來，實現知識的有機融合。舉例如下。例題微信運動步數的測量是通過手機內電容式加速度傳感器實現的。如圖3所示，電容器與電源相連，上極板固定，下極板連接兩相同彈簧，彈簧只能前后伸縮，圖中i？為定值電阻。下列對傳感器的描述中正確的是（A）靜止時，電流表示數為零，電容器兩極板不帶電（B）由靜止突然向前加速時，電容器的電容增大（C）由靜止突然向前加速時，電流由6向a流過電流表（D）保持向前勻減速運動時，電阻反以恒定功率發熱實際生活中常用的MEMS系列加速度傳感器就采用電容式的設計思路，原理圖如圖4所示，質量塊做變速運動時，通過電路中電容電荷量的變化，間接測量質量塊相對平衡位置的運動距離，得出彈簧彈力由此算出加速度。真實情境中需在三維空間里測量加速度，則在三個相互垂直的方向設置類似的裝置，分別測出三個方向的分加速度再進行合成。這兩種加速度傳感器的設計都將求加速度這一力學問題與電路知識結合，通過轉化法與科學推理，將非電學量轉化為電學量。若以設計加速度傳感器為主線進行項目式學習，引導學生經歷實驗原理選擇、實驗電路設計、實驗裝置搭建、實驗操作與數據采集、分析與論證、交流與反思等科學探究全過程，可在實際情景下加深學生對用牛頓第二定律求加速度、電路設計的理解，讓他們初步體驗從科學知識到技術應用的過程，也為學生從實際情境中發現問題、解決問題提供了方法論上的指導。
5小結
優化實驗和用已有知識理解、設計傳感器兩個角度深人思考，使學生在實際問題的解決過程中完善知識網絡，提升分析、推理能力，播下創新、創造的種子。
參考文獻
［1］周祎，馬如寶．創設真情景探究真問題［J1物理教學，2019（8）：2－6．
電容式傳感器范文5
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業、國防等許多領域中進行沖擊、振動測量常用的測試儀器。
1、加速度傳感器原理概述
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號的測試儀器。差容式力平衡加速度傳感器則把被測的加速度轉換為電容器的電容量變化。實現這種功能的方法有變間隙，變面積，變介電常量三種，差容式力平衡加速度傳感器利用變間隙，且用差動式的結構，它優點是結構簡單，動態響應好，能實現無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強，能測量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的電容量一般很小，僅幾pF至幾百pF，其容抗可高達幾MΩ至幾百MΩ，所以對絕緣電阻的要求較高，并且寄生電容（引線電容及儀器中各元器件與極板間電容等）不可忽視。近年來由于廣泛應用集成電路，使電子線路緊靠傳感器的極板，使寄生電容，非線性等缺點不斷得到克服。
差容式力平衡加速度傳感器的機械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉變為電容中間極的位移變化，后續電路通過對位移的檢測，輸出一個對應的電壓值，由此即可以求得加速度值。為保證傳感器的正常工作.，加在電容兩個極板的偏置電壓必須由過零比較器的輸出方波電壓來提供。
2、變間隙電容的基本工作原理
如式2－1所示是以空氣為介質，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當不考慮邊緣電場影響時，它的電容量可用下式表示：
由式（2－1）可知，平板電容器的電容量是 、A、 的函數，如果將上極板固定，下極板與被測運動物體相連，當被測運動物體作上、下位移（即 變化）或左右位移（即A變化）時，將引起電容量的變化，通過測量電路將這種電容變化轉換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據輸出信號的大小，即可測定物移的大小，若把這種變化應用到電容式差容式力平衡傳感器中，當有加速度信號時，就會引起電容變化 C，然后轉換成電壓信號輸出，根據此電壓信號即可計算出加速度的大小。
由式（2－2）可知，極板間電容C與極板間距離 是成反比的雙曲線關系。由于這種傳感器特性的非線性，所以工作時，一般動極片不能在整個間隙，范圍內變化，而是限制在一個較小的 范圍內，以使 與 C的關系近似于線性。
它說明單位輸入位移能引起輸出電容相對變化的大小，所以要提高靈敏度S應減少起始間隙 ,但這受電容器擊穿電壓的限制，而且增加裝配加工的困難。
由式（2－5）可以看出，非線性將隨相對位移增加面增加。因此，為了保證一定的線性，應限制極板的相對位移量，若增大起始間隙，又影響傳感器的靈敏度，因此在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結構，在差動式電容傳感器中，其中一個電容器C1的電容隨位移 增加時，另一個電容器C2的電容則減少，它們的特性方程分別為：
可見，電容式傳感器做成差動式之后，非線性大大降低了，靈敏度提高一倍，與此同時，差動電容傳感器還能減小靜電引力測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環境影響所造成的誤差。
3、電容式差容式力平衡傳感器器的工作原理與結構
3.1工作原理
如圖1所示，差容式力平衡加速度傳感器原理框圖
電路中除了所必須的電容，電阻外，主要由正負電壓調節器，四運放放大器LT1058，雙運放op270放大器組成。
3.2差容式力平衡傳感器機械結構原理
由于差動式電容，在變間隙應用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應用。如圖2所示為一種差容式力平衡電容差容式力平衡傳感器原理簡圖。主要由上、下磁鋼，電磁鐵，磁感應線圈，彈簧片，作電容中間極的質量塊，覆銅的上下極板等部分組成。傳感器上、下磁鋼通過螺釘及彈簧相連，作為傳感器的固定部分，上，下極板分別固定在上、下磁鋼上。極板之間有一個用彈簧片支撐的質量塊，并在此質量塊上、下兩側面沉積有金屬（銅）電極，形成電容的活動極板。這樣，上頂板與質量塊的上側面形成電容C1，下底板與質量塊下側面形成電容C2，彈簧片一端與磁鋼相連，另一端與電容中間極相連，以控制其在一個有效的范圍內振動。由相應芯片輸出的方波信號，經過零比較后輸出方波，此方波經電容濾除其中的直流電壓，形成對稱的方波，該對稱的方波加到電容的一個極板上，同時經一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。
當沒有加速度信號時，中間極板處于上、下極板的中間位置C1＝C2，C＝0后續電路沒有輸出；當有加速度信號時，中間極板（質量塊）將偏離中間位置，產生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設加速度為正時，質量塊與上頂板距離減小，與下底板距離增大，于是C1＞C2，因此會產生一個電容的變化量C，C由放大電路部分放大，同時，將放大電路的輸出電流引入到反饋網絡。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當有電流流過線圈時，將產生感應磁場，就會有電磁力產生。因為上、下磁鋼之間有彈簧，所以在電磁力的作用下將使磁鋼回到沒有加速度時的位置，即此時的電容變化完全有加速度的變化引起，同時由于線圈與活動極板通過中心軸線相連，所以在電磁力的作用下，使中間極向產生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當于在C的放大電路中引入了負反饋，這樣，使傳感器的測量范圍大大提高。因此，對于任何加速度值，只要檢測到合成電容變化量C，便能使活動極板在兩固定極板之間對應一個合適的位置，此時后續電路便輸出一個與加速度成正比的電壓，由此電壓值就可以計算出加速度的大小。
4、力平衡傳感器實際應用
哈爾濱北奧振動技術是專門從事振動信號測量的專業公司，它們應用這種差容式力平衡原理開發出的力平衡加速度傳感器實現的主要性能指標如下：
測量范圍：±2.0g，±0.125g，±0.055g
靈敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差動輸出）
BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高靈敏度）
頻響范圍：DC-50Hz（±1dB）
絕對精度：±3％FS
交叉干擾：小于0.3%
線性度：優于1%
噪聲：小于10μV
動態范圍：大于120dB
溫漂：小于0.01%g/g
電源：±12V-±15V @30.0mA
電容式傳感器范文6
易于使用是高科技產品設計時的重要考慮，低價的LCD面板則促進開發者使用影像及色彩來建立直覺式而具吸引力的用戶接口。此外，觸控感應科技可讓用戶直接與圖形接口互動，因此足以滿足愈來愈廣泛的應用需求。種種強化功能一并運用時，則讓家用設備、公用信息站、游戲系統、訊號與零售終端機等設備的功能與外觀出現革命性的轉變。
我們或許可說，最新的移動電話及媒體播放器、游戲主機與PVR(個人錄像機) 等高階消費性產品，是最前衛的用戶接口設計。新一代的制造設備中也透過交互式菜單、3D圖形與彩色代碼選項等功能，納入了進階的人機設計。這些設計的優勢包括更快速、更簡單的操作者學習、設定速度更快，以及進階的功能。包括洗衣機和咖啡機等家用設備，也可利用低成本的黑白或彩色OLED與LCD來支持新功能并呈現繽紛亮眼的影像。
透過觸控科技的發展，設備開發工程師可以把機械化的鑰匙、開關或鼠標拋在一旁。這項進展不僅促進使用的便利性，更能節省空間與組件的成本，同時提高可靠性。擦拭即可保持潔凈的表面對許多家用與工業設備而言更極具優勢，同時有益于特別著重清潔的應用途徑。有了觸控功能，設備服務業者可在公共場所規劃更多智能型且兼具互動性的裝置。由于用戶可直接碰觸所需選項，因此即使是對自身計算機使用能力缺乏信心的使用者，也可使用售票機、自動販賣機、公共信息站和自動付款終端機等設備。
為了成功運用觸控科技，設計師必須從許多面向設想，包括設備使用的環境，以及預期的使用方式與預計的生命周期。舉例來說，專供戶外使用的設備(例如站前廣場付款系統或公共信息站)會優先考慮，因為下雨、落葉或下雪而導致系統錯誤啟動、低溫或高溫的承受力、對刮痕的敏感性，以及可能有塵土或水分進入的可能性。于戶外時，良好的陽光下可讀性亦非常重要，要達到此目標必須具備高度的光學清晰度，才能在最明亮的陽光下顯示影像。現今的觸控屏幕控制器可以支持精致的功能，例如拖曳與鼠標點擊功能。最新的觸控式消費性裝置現在已經進步到可以采用手勢辨識(例如兩根手指擠壓、輕擊與放大縮小)等嶄新功能。一般預期，更聰明的功能開發很快就會提供多位用戶的觸控功能，以及提供可讓使用者觸覺響應的觸覺式觸控(haptic)功能。
觸控傳感器科技推陳出新
已有許多觸控傳感器科技被開發出來以響應特定應用領域所面臨的嚴苛挑戰。大部分的科技集中在稱為前面板觸動科技的領域，例如將多線電阻傳感器或傳統電容觸控傳感器，整合于顯示器表面的覆蓋膜。其他前面板觸動科技還包括紅外線與表面聲波(SAW)觸控傳感器，這類科技仰賴的是光場或聲場，透過屏幕表面來設定，可以偵測觸控造成的干擾。
為特定應用途徑選擇最理想的傳感器時，設計師必須評估實務的面向，例如預期的責任周期、先前提及的氣候與環境因素，以及抵抗物理損害的相對重要性。損害可能來自意外或環境因素；然而，也可能是對自助服務銀行或進出控制系統等設備進行蓄意破壞或結伙犯罪攻擊。如果并非蓄意破壞，即使在正常使用的情況下，耗損仍可能迫使設備需要頻繁的汰換，從而增加設備服務業者的擁有成本。舉例來說，標準四線電阻傳感器的生命周期最低可能僅提供300，000次運作。錯誤的觸控偵測是設計師必須謹記的另一項危機，紅外線與SAW傳感器尤其容易因為雨滴撞擊顯示器表面而出現錯誤偵測。如果紅外線傳送器臟污或在強烈的陽光下運作，系統的效能可能下降，而且如果設備必須能夠忍受一定程度的塵土或水分累積，更應謹慎將SAW傳感器整合至顯示單元，否則可能會增加制造的成本。
投射式電容式觸控技術
投射式電容式觸控技術(PCT)是電容式觸控科技空前的發展成果，可以用微細的電極數組取代傳統的電容覆蓋膜，并在傳感器前方產生電容感應區。感應數組都壓縮在合成結構之內。這項功能可以減少用戶直接的接觸，并在一般使用的情況下達成長久的耐久性。此外，即使前方控制面板出現嚴重刮痕或鑿挖的痕跡，仍舊能夠繼續偵測觸控。在需要高度安全性的情況下，例如自助現金提領服務或進出控制系統，可以特意采用堅硬甚至膠合玻璃，來提高額外的強度。即使是前方控制面板的厚度接近20公厘，感應數組仍能提供可靠且正確的觸控偵測能力。
PCT為許多一般應用途徑提供了多元性的選擇。傳感器的設計可以增加流行元素，純玻璃前方顯示器的設計不需前蓋，這個特性也可以增加清潔與排水的便利性。傳感器的制造，沒有受到導電涂層的薄膜影響，在考慮戶外使用布建時，可以提供高亮度環境下的傳送。在艱困環境下的應用途徑，例如在農場、礦場、石化和食品加工產業的環境中使用的計算機控制系統，觸控顯示器可以輕易密封，以防止液體微粒甚至石油氣累積，同時有助清潔工作的進行。
隨著寬屏幕LCD及新興產品大尺寸顯示器品牌越來越受歡迎，為大型顯示器增加觸控功能也能讓用戶擁有更多新的體驗。大部分觸控傳感器無法與超過40英寸的屏幕尺寸整合使用，但Zytronic最近成功開發的多頻道控制器現在可以讓PCT觸控感應功能在最大達82英寸的屏幕尺寸上使用，包括寬屏幕型態在內。
