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時(shí)間：2022-11-11 13:52:56
序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]十篇電容式傳感器范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。
電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：電容式傳感器與傳統(tǒng)的電感式、電阻式傳感器相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍大，靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，并能在高溫，輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。首先，電容式傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此比較容易投入生產(chǎn)。適應(yīng)性好強(qiáng)，可大可小，從而可以滿足不同需求的測(cè)量。用于制作電容式傳感器的金屬極板材料有可以有多種選擇：金、銀、銅、黃銅、青銅、鉛等，選擇范圍廣，可見適應(yīng)性比較強(qiáng)。其次，電容式傳感器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，分辨率高的特點(diǎn)。由于在極板間的靜電引力小，作用能量值也相應(yīng)降低，能活動(dòng)的地方可以做的很小很薄，重量輕，因此電容式傳感器的固有頻率會(huì)隨之升高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變短，在幾兆赫的頻率下即可工作，因此，此電容器特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于需要的輸入的能量低，所以即便只是測(cè)量極小的壓力、力和加速度，也可以做到很靈敏，很精確。電容式傳感器在一般情況下可視為純電容，其容抗值為XC=1/jwC，當(dāng)W為常數(shù)時(shí)，容抗隨電容的減小而增大。一般電容式傳感器受幾何尺寸的限制，其電容量是很小的，有的甚至只有幾個(gè)皮法，所以，電容式傳感器具有高阻抗的特點(diǎn)，又由于電容器本身的C很小，所以電容式傳感器呈現(xiàn)小功率的特性。功率小，發(fā)熱自然低，因此溫度的變化對(duì)測(cè)量的誤差很小。對(duì)于非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。
電容式傳感器的不足之處及解決辦法：電容式傳感器是以靜電場(chǎng)有關(guān)理論為基礎(chǔ)制成的，從靜電場(chǎng)角度考慮，影響其工作性能的因素是存在的，因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)，應(yīng)給予考慮。首先，電容式傳感器輸出與輸人之間的關(guān)系出現(xiàn)較大的非線性，這時(shí)可以采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)解決非線性大的局限性，但只能緩解，不能完全消除，這也是電容式傳感器使用的局限性。因其電容小，所以負(fù)載能力較差，為了提高工作電容值，可以在極板間加入介電常數(shù)高的絕緣材料，并減少極板間的間距來(lái)間接提高提高電容數(shù)值；因其電容值的偏低，所以對(duì)后續(xù)放大器要求很高，這時(shí)可以采用提高電源頻率的方法降低容抗值，采用高輸入阻抗運(yùn)放作放大器，以減小在放大環(huán)節(jié)的信號(hào)衰減。采用帶通或選頻放大技術(shù)，對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行放大而濾去低頻信號(hào)，采用屏蔽，將傳感器和測(cè)量電路裝在屏蔽殼體中，減少寄生電容和外界干擾的影響，減小極板厚度，增加極板寬度，以削弱極板的邊緣效應(yīng)和非線性誤差。
2、電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器實(shí)際的基本包括了一個(gè)接收器Tx與一個(gè)發(fā)射器Rx，其分別都具有在印刷電路板（PCB）層上成形的金屬走線。在接收器與發(fā)射器走線之間會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)。電容傳感器卻可以探測(cè)與傳感器電極特性不同的導(dǎo)體和盡緣體。當(dāng)有物體靠近時(shí)，電極的電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生改變。從而感應(yīng)出物體的位移變化量。 在石油、鋼鐵、電力、化學(xué)等生產(chǎn)工藝過(guò)程中壓為是非常重要的參數(shù)。此外，在機(jī)械制造技術(shù)方面，從小批量生產(chǎn)到連續(xù)程序控制.從小規(guī)模的設(shè)備到大規(guī)模的成套設(shè)備和不斷發(fā)展的多功能的成套設(shè)備.都需要大量的壓力傳感器。為廠使這些復(fù)雜化、大規(guī)模化的成套設(shè)備能安全運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)壓力傳感器的可靠性和穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高.測(cè)量壓力有表壓力及絕對(duì)壓力測(cè)量二種方式。表壓測(cè)量采用以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)容器內(nèi)壓力的方法。絕對(duì)壓力的測(cè)量是采用以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)而測(cè)容器內(nèi)壓力的方法。二者的基本原理相同，所不同的是表壓傳感器將低壓例制成對(duì)照大氣開口的結(jié)構(gòu)；而絕對(duì)壓力測(cè)量則把低壓設(shè)在真空室的結(jié)構(gòu).對(duì)高壓和低壓兩例的接觸溶液膜加壓后，通過(guò)密封液加到感壓膜上，感壓膜（可變電極）接著高壓側(cè)和低壓側(cè)的壓力差成正比地改變位置，感壓膜的位移，使膜與兩側(cè)固定電極之間形成路電容運(yùn)差，這個(gè)靜電容放差位經(jīng)電路轉(zhuǎn)換、放大后就變成4-20mADc的輸出信號(hào)。以加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)[1]。
3、電容式壓力傳感器的應(yīng)用舉例
電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測(cè)試中。電容式傳感器的精度和穩(wěn)定性也日益提高，高精度達(dá)0.01%電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達(dá)5μm[2]。
（1）電容式測(cè)厚儀： 測(cè)量金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度 C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容， 其總電容為C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過(guò)檢測(cè)電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。
（2）電容式轉(zhuǎn)速傳感器 當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。
（3）電容式壓力傳感器：電容式壓力傳感器主要用于測(cè)量液體或氣體的壓力，當(dāng)液體或氣體壓力作用于彈性膜片，使彈性膜片產(chǎn)生位移，位移導(dǎo)致電容量的變化，從而引起由該電容組成的振蕩器的振蕩頻率變化，頻率信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)、編碼、傳輸?shù)斤@示部分，即可指示壓力變化量。目前，電容式壓力傳感器已被廣泛的使用在工業(yè)生產(chǎn)中。
（4）電容式測(cè)微儀 高靈敏度電容式測(cè)微儀采用非接觸方式精確測(cè)量微位移和振動(dòng)振幅。電容式測(cè)微儀整機(jī)線路包括高增益主放大器，包括前置放大器，精密整流電路，測(cè)振電路和高穩(wěn)定度穩(wěn)壓電源。并將主放大器和振蕩器放在內(nèi)屏蔽盒里嚴(yán)格屏蔽，其線路地端和屏蔽盒相連，精密整流電路接地。
（5）電容式加速度傳感器 加速度傳感器是利用它內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法來(lái)制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。加速度傳感器可以幫助機(jī)器了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在水平，走下坡，還是別的情況。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應(yīng)用于許許多多的方面，如提電腦的硬盤抗摔保護(hù)，目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。壓電加速度傳感器還應(yīng)用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面.
4、結(jié)束語(yǔ)
電容式傳感器是利用電容器原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量和傳輸?shù)碾妷夯螂娏髁康钠骷?。電容傳感器與其他類型的傳感器相比，具有測(cè)量范圍大、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在位移、壓力、厚度、振幅、液位、成分分析等的測(cè)量方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器本身就是電容器，在被測(cè)量的作用下，將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電容變化量。因此，在設(shè)計(jì)及應(yīng)用時(shí)要根據(jù)傳感器和被測(cè)量間函數(shù)關(guān)系的一些參數(shù)和所采用的介質(zhì)以及工作條件等來(lái)確定采用何種工作方式、結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)元件的材料以及傳感器輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理等。
電容式傳感器應(yīng)用領(lǐng)域主要是壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量，量測(cè)液準(zhǔn)、濕度、以及物質(zhì)成分等。
參考文獻(xiàn)：
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基金項(xiàng)目：
0.概述
我們所處的時(shí)代是信息時(shí)代，信息的獲取、檢測(cè)要靠傳感器和傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空、常規(guī)武器、船舶、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、化工等技術(shù)領(lǐng)域。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)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(lái)說(shuō)，是使用最多的傳感器，它的市場(chǎng)占有量也不不可估量的，那么它的各項(xiàng)技術(shù)也得根據(jù)市場(chǎng)需要，進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，以適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越苛刻的環(huán)境。
1.電容式壓力傳感器工作原理及其數(shù)學(xué)模型
1.1結(jié)構(gòu)介紹
電容式壓力傳感器主要由一個(gè)膜式動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動(dòng)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(cè)量膜片、灌充液組成，以測(cè)量膜片為中心線軸對(duì)稱，測(cè)量膜片與兩側(cè)的金屬模構(gòu)成一對(duì)相等的平行板電容。如圖1所示。
圖1 敏感元件結(jié)構(gòu)圖
1.2工作原理
當(dāng)被側(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電量一個(gè)增大、一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力差相對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換
如圖3所示，被測(cè)壓力通過(guò)高壓側(cè)隔離膜片，加到灌充液，液體流過(guò)瓷心孔進(jìn)入腔室，將壓力加到測(cè)量膜片上，膜片受力后發(fā)生位移，測(cè)量膜面與兩側(cè)構(gòu)成的電容值隨之變化，低壓側(cè)電容增加，高壓側(cè)電容減少。
圖3 平行板電容器
厚膜片位移與差壓轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系數(shù)；R：膜片周邊半徑；d：膜片中心處位移
t：膜片厚度；P：被測(cè)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(zhuǎn)換公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差壓作用于室時(shí)，中心膜片的位移 與差壓成正比。
1.4位移—電容轉(zhuǎn)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(zhì)的介電常數(shù)；
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(dāng)兩邊壓力相等時(shí)即PH=PL，初始電容量C=C=K
當(dāng)PH>PL，測(cè)量膜片位移為d，此時(shí)低壓側(cè)的電容為C=K（d0-d），高壓側(cè)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(jié)構(gòu)系數(shù)K1即可實(shí)現(xiàn)不同量程的測(cè)量，將位移量轉(zhuǎn)換成
的變化。
1.5電容比—電流的轉(zhuǎn)換
解調(diào)器將流過(guò)CL、CH的交流電流解調(diào)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(tài)特性
當(dāng)被測(cè)量X不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間的變化程度遠(yuǎn)緩慢與傳感器固有的最低階運(yùn)動(dòng)模式的變化程度時(shí)，傳感器的輸出量Y與輸入量X之間的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量與輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以他們之間的關(guān)系即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量做橫坐標(biāo)把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
2.2動(dòng)態(tài)特性
當(dāng)被測(cè)量X隨時(shí)間變化，而且隨時(shí)間的變化程度與傳感器固有的最低階運(yùn)動(dòng)模式的變化程度相比不是緩慢的變化程度時(shí)，傳感器的輸出量y與輸入量X之間的函數(shù)關(guān)系。
在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)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(cè)對(duì)象而獲取信息，與被測(cè)對(duì)象同時(shí)都處于擾的環(huán)境中，不可避免地受到外界的干擾。壓力傳感器如果說(shuō)它的抗干擾能力不過(guò)硬，那么在它的價(jià)值上，也是個(gè)相差很大的，因?yàn)榈膽?yīng)用范圍受了很大的限制，所以市場(chǎng)前景也是得不到擴(kuò)大的，提高抗體干擾性是不容忽視的問(wèn)題。
3.1溫度影響
由于電容式傳感器極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線性膨脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。為減小這種誤差，應(yīng)盡量選取溫度系數(shù)小和溫度系數(shù)穩(wěn)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(lái)又采用在陶瓷或石英上進(jìn)行噴鍍金或銀的工藝。化工冶金鍋爐等高溫環(huán)境下的壓力測(cè)試還可以通過(guò)改善敏感元件電容器的物理特性改變傳感器的尺寸進(jìn)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(jīng)隔離膜片傳遞到內(nèi)部中心膜片上。從圖5可以看出傳感器內(nèi)部的壓力從中心向四周方向分布，X方向的應(yīng)力得到全部抵消，但是Y方向的應(yīng)力q全部加在傳感器的外殼上。由于結(jié)構(gòu)尺寸的原因，越靠近中心結(jié)構(gòu)越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最為薄弱。在高靜壓下，中心點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)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(duì)工作靜壓為零時(shí)得到加強(qiáng)，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(chǎn)生誤差。并且靜壓影響絕對(duì)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(xiàn)為方向的不確定，這主要由焊接應(yīng)力和傳感器的個(gè)性相關(guān)，不具有規(guī)律性。通過(guò)提高制造加工精度來(lái)減小靜壓誤差。
圖5 應(yīng)力分布和擾度變化圖
3.3邊緣效應(yīng)的影響
邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)。保護(hù)環(huán)與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時(shí)始終保持等電位，以保證中間各種區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布，從而克服邊緣效應(yīng)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(cè)量系統(tǒng)寄生參數(shù)的影響，主要是指?jìng)鞲衅麟娙輼O板并聯(lián)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(duì)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(cè)量線路前置極的距離將集成電流的發(fā)展、超小型電容器應(yīng)用于測(cè)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(xiàn)】
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[2]徐堅(jiān).金屬電容式傳感器的靜壓影響誤差.自動(dòng)化儀表.TP202.201103.
更大的溫度范圍；
更大的濕度范圍；
駕駛與乘客因長(zhǎng)期接觸轉(zhuǎn)換器與按鈕所造成的臟污。
圖1：基本的電容式傳感器
今日車用的按鈕與轉(zhuǎn)換器不僅比過(guò)去多了許多，還要能具備輕易建置的特性，以符合日趨人性化控制接口的需求，另外，還必須具備成本效益，避免采用密封封閉式的機(jī)械開關(guān)。因此，電容式觸控接口（capacitive touch switches，或稱為cap sense）是一個(gè)非常具有潛力的取代方案。電容式觸控接口技術(shù)不僅無(wú)須采用機(jī)械式控制元器件，還具備整合人性化接口的功能，十分符合汽車工業(yè)對(duì)于可靠性與成本效應(yīng)的需求。
如圖1所示，電容式接口主要是由兩片相鄰電路極板（traces）所構(gòu)成的電容器：而依據(jù)物理法，電容效應(yīng)是存在于兩片電鄰線路極板之間的。如果有任何導(dǎo)電性的物體（例如：手指尖）靠近這兩片極板時(shí)，平行式電容（parallel capacitance）就會(huì)與傳感器產(chǎn)生耦合(couple)效應(yīng)。因此，整體電容會(huì)隨著手指尖觸碰電容傳感器而增加；當(dāng)移開手指時(shí)，電容則會(huì)隨之減少。所以只要利用一套電路系統(tǒng)來(lái)測(cè)量電容的變化，就可以判斷手指尖是否有碰觸到兩片相鄰的電路極板。
電容式傳感器是由兩片電路極板與一個(gè)機(jī)板空間所構(gòu)成。這些電路極板可為電路板的一部分，上面直接覆蓋著一層絕緣層。電容式傳感器也可以采用玻璃印刷電路技術(shù)植入車窗玻璃，并應(yīng)用于后擋風(fēng)玻璃的除霧器上。另外，電容式傳感器不僅可以隱藏在曝曬印制圖案的背面，還能夠順應(yīng)各種曲面的弧度，廣泛地應(yīng)用于汽車的各種功能上。
圖2：典型弛張振蕩器拓?fù)?/p>
建構(gòu)電容式界面的要素：
一組電容器；
電容量測(cè)電路系統(tǒng)；
從電容值轉(zhuǎn)譯成接口狀態(tài)(switch state)的近端裝置。
通常電容式傳感器的電容值介于10pF～30pF之間。普遍來(lái)說(shuō)，手指尖經(jīng)由1mm絕緣層接觸到接口所造成的耦合電容是介于1pF～2pF的范圍。越厚的絕緣層所產(chǎn)生的耦合電容則愈低。若要感應(yīng)手指的觸碰，則必須建置能夠偵測(cè)到1%以下電容變化的電容感測(cè)電路系統(tǒng)。
弛張振蕩器（relaxation oscillator）是一種非常有效且易于使用的電容量測(cè)電路。一般常見拓?fù)淙鐖D2所示：
這個(gè)電路由以下四種元器件組成：
一組同步比較器(comparator)
一組電流源
一組放電開關(guān)(discharge switch)
一組電容式傳感器。
最初，放電開關(guān)呈現(xiàn)開啟的狀態(tài)，此時(shí)全數(shù)的電流會(huì)流向傳感器，造成傳感器電壓呈現(xiàn)直線上升的現(xiàn)象。此充電動(dòng)作將持續(xù)至傳感器電壓達(dá)到比較器閥值為止。這時(shí)，比較器會(huì)從低電壓轉(zhuǎn)為高電壓，進(jìn)一步關(guān)閉放電開關(guān)。如此一來(lái)，電容式傳感器便會(huì)快速經(jīng)由低阻抗路徑放電至地電位。當(dāng)比較器輸出電壓從高轉(zhuǎn)低時(shí)，整個(gè)電路周期則會(huì)重復(fù)進(jìn)行。依據(jù)下列的方程式，輸出頻率（fout）與充電電流呈現(xiàn)正比的關(guān)系；與閥值電壓和傳感器電容則呈現(xiàn)反比的關(guān)系。因此借著量測(cè)輸出頻率，就可以得知傳感器電容的大?。?/p>
假設(shè)充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會(huì)產(chǎn)生128KHz的輸出頻率將?；ㄔ诹繙y(cè)輸出頻率的時(shí)間越長(zhǎng)，則可獲得越高的頻率分辨率。由于更高的頻率分辨率會(huì)產(chǎn)生更佳的電容量測(cè)靈敏度，因此增加量測(cè)時(shí)間也會(huì)相對(duì)的提高電容量測(cè)分辨率。而設(shè)計(jì)業(yè)者可分別依據(jù)不同的應(yīng)用層面、傳感器尺寸與覆蓋絕緣體厚度等因素，調(diào)整量測(cè)電容的時(shí)間。
由上列的方程式，可以近一步推衍出下列電容方程式：
因此，顯然地我們還必須有輸出頻率周期的量測(cè)機(jī)制。圖3分別顯示周期量測(cè)方式的示意圖與波形圖。
圖3：周期量測(cè)方式示意圖
弛張振蕩器的輸出頻率在此代表脈沖寬度調(diào)變器（pulse width modulator, PWM）的頻率。PWM的輸出波形由低頻率與高頻率兩種脈波構(gòu)成，頻率的實(shí)際值端視不同應(yīng)用而定。PWM輸出信號(hào)則用來(lái)當(dāng)成計(jì)數(shù)器（counter）閘門（gate）的信號(hào)。當(dāng)此信號(hào)為高電位時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)以fref的頻率累積其數(shù)值，并于閘門信號(hào)下緣(falling edge)產(chǎn)生中斷的情況，此時(shí)則可進(jìn)行讀取或是重設(shè)計(jì)數(shù)器數(shù)值的動(dòng)作。之前曾假設(shè)充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會(huì)產(chǎn)生128KHz的輸出頻率。假設(shè)計(jì)數(shù)器的參考頻率為6MHz，則計(jì)數(shù)器在一個(gè)周期中所累積數(shù)值為46，兩個(gè)周期為93，而十個(gè)周期的計(jì)數(shù)器數(shù)值則為468。由此可知，計(jì)數(shù)器累積數(shù)值越多，產(chǎn)生的分辨率或是靈敏度也就會(huì)越高。設(shè)計(jì)業(yè)者可運(yùn)用下列方法獲得更高的計(jì)數(shù)值：
提高計(jì)數(shù)器參考頻率
降低振蕩器頻率
增加閘門信號(hào)的周期次數(shù)
電容式接口傳感器采用可變更組態(tài)的混合信號(hào)數(shù)組（configurable mixed signal array），為設(shè)計(jì)業(yè)者提供一套具備成本優(yōu)勢(shì)的解決方案，請(qǐng)參考圖4所示：
圖4：Cypress 可變更組態(tài)混合信號(hào)數(shù)組CY8C21x34的示意圖
Cypress 可變更組態(tài)混合信號(hào)數(shù)組CY8C21x34器件不僅內(nèi)含建置弛張振蕩器所需的可變更組態(tài)模擬區(qū)塊，還具備作為建置周期量測(cè)裝置用的數(shù)字區(qū)塊。更重要的是，此器件還額外內(nèi)建一組I/O模擬多任務(wù)器。多任務(wù)器的每一組針腳都具備一個(gè)開關(guān)器，可直接連結(jié)到模擬總線上。I/O模擬多任務(wù)器是一套大型的交叉式開關(guān)（cross-switch），能夠讓每一組針腳直接連結(jié)到控制系統(tǒng)上的模擬數(shù)組。此外，可編程電流源與放電開關(guān)也可直接與總線連結(jié)。這套內(nèi)含多功能的可變更組態(tài)混合信號(hào)數(shù)組器件，可讓28個(gè)I/O針腳中的任何一個(gè)都能被當(dāng)成電容式傳感器的輸入端使用。圖5顯示完整的電容式感測(cè)系統(tǒng)。
圖5：Cypress推出型號(hào)為CY8C21x34的可變更組態(tài)混合信號(hào)數(shù)組
當(dāng)指尖同時(shí)放在兩組并列的電容式傳感器之間時(shí)，兩組傳感器很有可能皆會(huì)感測(cè)到指尖的碰觸。因此，設(shè)計(jì)業(yè)者可利用這樣的原理，近一步研發(fā)近似模擬的指尖位置感測(cè)裝置。
滑桿（slider）是由多個(gè)鄰近的傳感器所組成，在這樣的設(shè)計(jì)模式下，指尖接觸的范圍可以同時(shí)影響到多個(gè)傳感器。因此，受影響傳感器的電容值變化可用來(lái)計(jì)算質(zhì)心(center of mass)與形心(centroid)。而計(jì)算出來(lái)的數(shù)值可精確的顯示指尖所在位置。圖6顯示滑桿的構(gòu)成。
圖6：滑桿是由多個(gè)鄰近的傳感器所組成
如要達(dá)到多個(gè)傳感器同時(shí)感測(cè)出指尖碰觸的目的，設(shè)計(jì)人員在滑桿的設(shè)計(jì)上就必須考慮到傳感器的形狀。
恒速行駛操縱裝置（cruise control）為滑桿的應(yīng)用之一。舉例來(lái)說(shuō)，我們?cè)诶锍逃?jì)速度值上放置一排透明的電容式傳感器，只要在55與60兩個(gè)數(shù)值之間輕輕的點(diǎn)一下，即可將行車時(shí)速設(shè)定為57 mph。此外，內(nèi)建電容式觸控傳感器的滑桿也可應(yīng)用在車燈、音響音量控制等任何測(cè)量用的應(yīng)用裝置上。
隨著車用自動(dòng)控制儀表板的設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，要將所有的控制鈕建置在其有限的空間中也變得更困難。由于許多車種的方向盤內(nèi)都已裝設(shè)安全氣囊，當(dāng)安全氣囊迅速膨脹時(shí)，可沒有人希望被一大堆機(jī)械器件砸在身上，因此，一般的汽車設(shè)計(jì)業(yè)者都會(huì)避免在方向盤的表面上裝置控制鈕。然而，電容式傳感器只是被電鍍?cè)诎踩珰饽疑w后方的電路極板，并沒有任何機(jī)械元器件。若是鍍裝有困難，也可以超薄電路板(flex circuit) 取代，并以鑲嵌的方式裝置在安全氣囊蓋后方。
車窗是另一項(xiàng)電容式觸控技術(shù)尚未觸及的領(lǐng)域。您是否想過(guò)直接把車窗除霧器的控制接口直接建置在車窗上？也許現(xiàn)在已經(jīng)有設(shè)計(jì)業(yè)者將雨刷控制器直接安裝在擋風(fēng)玻璃上了。也許未來(lái)設(shè)計(jì)人員會(huì)在位于門把上方的玻璃上加裝觸控式數(shù)字控鎖接口，車主只需要在車窗的傳感器上輸入正確的密碼，便可控制汽車門鎖。設(shè)計(jì)業(yè)者只要采用玻璃印刷電路技術(shù)或印制技術(shù)，就可將這類的電容式傳感器建置在物體的表面。設(shè)計(jì)人員不僅可將這些傳感器設(shè)計(jì)成常見的按鍵形式，也可自由發(fā)揮創(chuàng)意，將傳感器以品牌或是車款名稱，加裝在車窗上(如圖7所示)。
或許公司的營(yíng)銷人員會(huì)對(duì)圖7這樣的設(shè)計(jì)建議表示關(guān)切，因?yàn)橄M(fèi)者可能會(huì)質(zhì)疑當(dāng)他們搖下車窗時(shí)，是否仍能順利的打開車門？
【關(guān)鍵詞】電容測(cè)量 撓度測(cè)量 荷載試驗(yàn) 橋梁
1 引言
橋梁是交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成元素，是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，因此確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全極其重要。由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風(fēng)、地震、疲勞、人為因素等作用，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部件產(chǎn)生的損傷和劣化。這些損傷與劣化如果不能及時(shí)得到有效的檢測(cè)和維修，將會(huì)影響行車安全、縮短橋梁使用壽命，甚至導(dǎo)致橋梁突然破壞和倒塌。
新橋驗(yàn)收試驗(yàn)與舊橋評(píng)估檢測(cè)是確保橋梁正常安全運(yùn)營(yíng)的一項(xiàng)重要工作，荷載試驗(yàn)是橋梁承載能力評(píng)定最有效的方法之一，在荷載試驗(yàn)時(shí)，合理檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)（如應(yīng)力應(yīng)變、撓度、動(dòng)力參數(shù)）是試驗(yàn)中最主要的內(nèi)容。撓度直接反映橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出危險(xiǎn)范圍，是評(píng)價(jià)橋梁安全性的重要指標(biāo)，因此正確有效地檢測(cè)橋梁撓度直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的可靠性。
對(duì)斜拉橋、懸索橋及剛構(gòu)橋等大跨度橋梁，因跨度大、河面寬、橋面高差大、橋面離水面高、測(cè)點(diǎn)布置多、溫差變化大，試驗(yàn)往往需夜間，目前常用的撓度測(cè)量方法有位移計(jì)法、水準(zhǔn)儀法、全站儀法、連通管法、光電法等，但在使用上會(huì)受到各種客觀條件限制?；诖吮疚难邪l(fā)出一款利用電容測(cè)量技術(shù)與連通管原理有機(jī)結(jié)構(gòu)的橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)撓度測(cè)量方法的不足，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、適用場(chǎng)合廣，且便于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化檢測(cè)。
2 電容傳感器數(shù)學(xué)模型
圖1中由兩個(gè)同軸圓柱形導(dǎo)體組成一個(gè)圓柱形電容器，其內(nèi)導(dǎo)體外半徑為r，外導(dǎo)體內(nèi)半徑為R，導(dǎo)體長(zhǎng)度為h。當(dāng)hR-r時(shí)，導(dǎo)體兩端邊緣效應(yīng)可忽略，圓柱體可視為無(wú)窮長(zhǎng)，則其電容為
（1）
當(dāng)被測(cè)液體的液位在同心圓柱形內(nèi)高度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致電容變化，此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)同軸圓柱形電容器并聯(lián)，由式（1）得
（2）
令
則式（2）變?yōu)?/p>
C=a+bx（3）
式中：
為被測(cè)液體介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)；
h為圓柱形導(dǎo)體長(zhǎng)度，R為外導(dǎo)體內(nèi)徑，r為內(nèi)導(dǎo)體外徑；
x為液面當(dāng)前高度。
由式（3）可知，圓柱形電容的輸出電容與液面高度x成線性關(guān)系。系數(shù)a、b與傳感器結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、液體介質(zhì)種類有關(guān)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方式來(lái)獲得。當(dāng)使用水作為液體介質(zhì)時(shí)，介電常數(shù)隨水質(zhì)與溫度變化而變化，由此對(duì)系數(shù)b所帶來(lái)的測(cè)量影響是不能忽略的，在實(shí)際應(yīng)用中必須進(jìn)行有效的修正。
3 橋梁撓度測(cè)量原理
由電容傳感器、水體及連通管構(gòu)成一個(gè)完整的橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)（見圖2），將測(cè)量傳感器固定在橋梁指定位置，用帶水的連通管連接一起時(shí)，調(diào)節(jié)水量使液面保持在傳感器量程內(nèi)某位置處。當(dāng)橋梁撓度發(fā)生變化時(shí)，傳感器安裝位置高程隨之發(fā)生變化，其內(nèi)的液面也發(fā)生相應(yīng)改變，通過(guò)測(cè)量電路可測(cè)出此時(shí)電容值，即可計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的液面高度。
假設(shè)在橋墩附近位置安裝一個(gè)傳感器作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)初始狀態(tài)時(shí)各測(cè)量點(diǎn)液面測(cè)量值為 （i為測(cè)點(diǎn)編號(hào)）
當(dāng)橋梁撓度發(fā)生變化時(shí)，各測(cè)點(diǎn)液面測(cè)量值為 （j為測(cè)點(diǎn)第幾次測(cè)量）
則各測(cè)點(diǎn)液面位置變化為
（5）
由此可計(jì)算出各測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于參考基準(zhǔn)的高差為
（6）
電容式撓度傳感器正是利用被測(cè)液體的介電常數(shù)，將液位轉(zhuǎn)化成電容變化來(lái)表征輸入信號(hào)大小以實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量。該傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、分辨率高、體積小、安裝方便，但液體介質(zhì)種類及溫度變化造成的介電常數(shù)變化是影響其測(cè)量精度、重復(fù)性及穩(wěn)定性的主要因素。
液體介質(zhì)種類對(duì)測(cè)量精度的影響，可以通過(guò)使用前在線校準(zhǔn)方法得以有效消除。環(huán)境溫度對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響，本文通過(guò)單獨(dú)使用一個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算出環(huán)境溫度修正項(xiàng)，此傳感器應(yīng)安裝在與其它傳感器相同的使用環(huán)境中，用同類介質(zhì)充滿到指定高度后與連通管隔離，通過(guò)它測(cè)量結(jié)果來(lái)在線計(jì)算出當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量精度的修正項(xiàng)。傳感器內(nèi)的液體介質(zhì)溫度與種類影響修正項(xiàng)由專用處理軟件完成。
4 電容傳感器結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路設(shè)計(jì)
撓度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由兩個(gè)同軸圓筒組成電容兩個(gè)電極，兩個(gè)電極使用同種金屬材料做成，經(jīng)氧化處理后確保兩筒間絕緣，兩筒間隙形成儲(chǔ)液腔。在外筒下底部設(shè)計(jì)可與連通管相接的進(jìn)水口，上端設(shè)計(jì)有小孔與空氣相連，以確保測(cè)量時(shí)水位變化流暢。為提高測(cè)量精度，減少寄生電容等影響，在傳感器頂部集成的測(cè)量電路組合成一個(gè)一體化智能傳感器，在內(nèi)部設(shè)計(jì)有自動(dòng)校準(zhǔn)標(biāo)，并通過(guò)RS485口與外部通訊，形成分布式測(cè)量結(jié)構(gòu)體系中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
電容測(cè)量前端選用MS3110芯片，它是個(gè)具有極低噪聲的通用電容讀出接口芯片，采用調(diào)制解調(diào)方式來(lái)對(duì)單電容或差動(dòng)電容變化的測(cè)量，其測(cè)量范圍為（0.25-10）pF，理論精度達(dá)4aF。其內(nèi)部基本電路由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、采樣保持電路、低通濾波及放大器組成如圖所示。CS1IN，CS2IN為檢測(cè)電容，CS1、CS2為芯片內(nèi)部可調(diào)補(bǔ)償電容，用于調(diào)節(jié)輸入電容不對(duì)稱而引起的偏置，LPF為低通濾波器，GAIN為可調(diào)節(jié)增益環(huán)節(jié)。
測(cè)量時(shí)通過(guò)MSC51系列單片機(jī)對(duì)MS3110芯片寫入不同控制字進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，平衡外部容差，減小輸出電壓偏置，使工作在較好的線性范圍內(nèi)。使用集成有100kHz的轉(zhuǎn)換速率、12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的MSC51系列單片機(jī)作為上位機(jī)，并使用軟件過(guò)采樣平均技術(shù)將片內(nèi)12位A/D轉(zhuǎn)換精度提高到18位。使用MS3110芯片2.25V參考電壓輸出作為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，實(shí)現(xiàn)比率測(cè)量來(lái)提高電源看干擾能力。硬件電路如圖4所示，P1.1口作為時(shí)鐘與MS3110的時(shí)鐘端相連，P1.2與MS3110的SDATA端相連將控制字寫入MS3110。利用單片機(jī)集成的串行口，通過(guò)MAX485芯片接口，實(shí)現(xiàn)與外部雙向通訊，并使用廣播接收、查詢輸出的傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)在分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)的同步測(cè)量。
5 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)論
用所開發(fā)的電容撓度傳感器，并編制相應(yīng)的Windows應(yīng)用軟件，在大跨度剛構(gòu)橋動(dòng)靜載試驗(yàn)中典型實(shí)測(cè)橋面撓度見圖5，經(jīng)幾座橋梁應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明：
（1）傳感器體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)單，不受橋面高差影響，使用環(huán)境條件寬；
（2）液體介質(zhì)對(duì)測(cè)量精度的影響可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式有效解決；
（3）環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度的影響可使用補(bǔ)償傳感器在線修正；
（4）一體化智能傳感器設(shè)計(jì)可方便地實(shí)現(xiàn)分布式同步自動(dòng)測(cè)量。
參考文獻(xiàn)
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中圖分類號(hào)：TN919-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：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(shí)間后，由于外界雜質(zhì)的侵入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因［1］，會(huì)使油液的介電常數(shù)值發(fā)生變化。使用電容傳感器測(cè)量油液的介電常數(shù)可以反映油品質(zhì)、磨損故障等信息。當(dāng)前的離線油質(zhì)分析儀不能完全準(zhǔn)確地反映整體油液的質(zhì)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(shè)計(jì)了一種用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)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(cè)油的使用狀況。
1 油介電常數(shù)測(cè)量原理
油是一種復(fù)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(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1） 油內(nèi)部組分長(zhǎng)期與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)；
（2） 粘度指數(shù)改進(jìn)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(huì)導(dǎo)致分子極性變化；水的進(jìn)入會(huì)產(chǎn)生H+，OH-離子；酸值的變化伴隨著H+，RCOOˉ離子的產(chǎn)生；金屬磨粒會(huì)產(chǎn)生自由電子［2］。以上幾種因素均會(huì)不同程度地改變油液內(nèi)部極化成分的數(shù)量，從而導(dǎo)致介電常數(shù)值的變化，所以介電常數(shù)是反映油液老化、被污染以及磨損狀況的一個(gè)綜合參數(shù)。
電介質(zhì)的介電常數(shù)大小可通過(guò)測(cè)量平行板電容器的電容來(lái)間接獲得。對(duì)于如圖1所示的平行板電容器，多數(shù)文獻(xiàn)采用了以下公式表達(dá)電容與內(nèi)部介質(zhì)的介電常數(shù)關(guān)系：
ИC=ε0εrS/d（1）И
式中：Е弄r為內(nèi)部介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；S為極板面積；d為兩極板間距。
上述公式是在極板長(zhǎng)度a，寬度b遠(yuǎn)大于極板間距d的情況下推導(dǎo)出的，此時(shí)由于邊緣效應(yīng)影響而引起的附加電容可以忽略不計(jì)。但在實(shí)際應(yīng)用中，因測(cè)量空間的限制，極板不可能為無(wú)限大。根據(jù)文獻(xiàn)［3］的研究成果，有限尺寸的平板電容器，計(jì)及邊緣效應(yīng)的電容近似表達(dá)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(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr具有理論上的線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)部充滿油的電容器的電容值,就可以確定機(jī)油品質(zhì)的劣化程度。
圖1 平板電容器模型
2 電容傳感器設(shè)計(jì)
考慮到現(xiàn)場(chǎng)離線快速檢測(cè)的便捷性、穩(wěn)定性要求，傳感器采用平行極板式結(jié)構(gòu)，其基本形狀示意圖如圖2所示，主要由一對(duì)平行極板、外部固定裝置和一個(gè)有機(jī)玻璃油槽組成。接線柱內(nèi)嵌銅芯，與極板焊接在一起。由于在下一步的方案規(guī)劃中，擬加入光電檢測(cè)模塊，所以在傳感器左右兩側(cè)設(shè)計(jì)了凹槽，以使激光穿過(guò)油液，測(cè)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(duì)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(dǎo)電聚合物。本文選擇成本低廉、導(dǎo)電性好、溫度系數(shù)低、容易獲取和加工的銅作為極板材料，并根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(cè)油量的多少。使用中的油是成分復(fù)雜的混合物，尤其是摩擦產(chǎn)生的磨粒，大小和分布并不均勻。為了使測(cè)量更加準(zhǔn)確，顯然取油量越大越好，但現(xiàn)場(chǎng)操作又要求用最少的油樣數(shù)量獲得滿意的數(shù)據(jù)，而且小型化的傳感器更利于制成便攜式檢測(cè)系統(tǒng)。為了減弱邊緣效應(yīng)的影響，極板間距要盡量小，但間距的減小勢(shì)必導(dǎo)致極板被擊穿的可能性增加。綜上所述并參考文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步確定極板長(zhǎng)a=50 mm，寬b=30 mm，間距d=20 mm。
（3） 油槽材料選擇有機(jī)玻璃［3］，化學(xué)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(dá)92~93%，可透過(guò)可見光99%；強(qiáng)度高，韌性好，易于加工；能耐一般的化學(xué)腐蝕。根據(jù)加工的要求和有機(jī)玻璃的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，擬定油槽壁厚為1.5 mm。
（4） 聚四氟乙烯具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的絕緣性，且成本低、介質(zhì)損耗小，因此選用該材料加工成固定裝置［4］。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
采用諧振法對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試電路由振蕩電路、低通濾波放大電路、單片機(jī)計(jì)數(shù)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(zhuǎn)化為頻率的變化，此頻率信號(hào)經(jīng)濾波放大和分頻后送入單片機(jī)計(jì)數(shù)器，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將得到的電容值顯示在LCD上。測(cè)量之前要保證油槽的干燥以防混入水分，被測(cè)油樣分別取自某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱。
從表1中數(shù)據(jù)可看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性很好，2種不同介質(zhì)多次測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.207，0.351，最大偏差分別為3.1%，4.8%，說(shuō)明在確定的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得的數(shù)據(jù)是可靠的?？諝獾南鄬?duì)介電常數(shù)可視為1，從表中數(shù)據(jù)也可計(jì)算出傳感器的雜散電容大約為6.9 pF。對(duì)不同使用期的油樣進(jìn)行了測(cè)量，每種油樣均采用多次測(cè)量求平均值的方法得出最終數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
根據(jù)式(2)計(jì)算油樣的相對(duì)介電常數(shù)值，計(jì)算時(shí)需減去雜散電容［4］。繪制油品相對(duì)介電常數(shù)與使用期的關(guān)系曲線，如圖4所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文基于介電常數(shù)測(cè)量原理研制了一種用于油現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的電容傳感器，該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的制造工藝，而且所選擇的材料價(jià)格低廉；取油方便，不必對(duì)機(jī)器內(nèi)部油路進(jìn)行拆裝即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)；極板間電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)均勻，這就使各種極化成分在檢測(cè)場(chǎng)內(nèi)的空間位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較??；玻璃油槽將油液與極板隔開，防止對(duì)極板造成污染，測(cè)量后容易清洗，避免了污染物沉積影響測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其穩(wěn)定性和有效性，對(duì)于合理標(biāo)定換油閾值、實(shí)現(xiàn)按需換油，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
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為減小附加誤差，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可比性，兩次測(cè)試均采用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和測(cè)試設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)器為美國(guó)GE公司的精密冷鏡式露點(diǎn)儀，露點(diǎn)測(cè)量范圍為-60℃～40℃，測(cè)量誤差為±0.01℃；測(cè)試設(shè)備為國(guó)產(chǎn)SYSD型一等標(biāo)準(zhǔn)雙壓法濕度發(fā)生器，其產(chǎn)生相對(duì)濕度的范圍為10%～95%RH，最大允許誤差為±1%RH。1.3測(cè)試方法測(cè)試中選取-30℃，-10℃和20℃3個(gè)溫度點(diǎn)。-30℃時(shí)，選取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95%7個(gè)濕度測(cè)試點(diǎn)。由于被試件技術(shù)指標(biāo)不同，-10℃和20℃時(shí)，1#、2#、7#、8#被試件選取20%為低濕測(cè)試點(diǎn)，其余被試件選取15%測(cè)試點(diǎn)，其他測(cè)試點(diǎn)與-30℃時(shí)相同。每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)測(cè)試，每個(gè)濕度測(cè)試點(diǎn)有兩對(duì)不同濕度變化趨勢(shì)的數(shù)據(jù)。
2穩(wěn)定性分析方法
本文利用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性。文中定義誤差的年漂移量為使用后各濕度測(cè)試點(diǎn)誤差與使用前各濕度測(cè)試點(diǎn)誤差的差值，其中濕度測(cè)試點(diǎn)誤差為該測(cè)試點(diǎn)4次單次測(cè)量誤差的平均值。為研究誤差年漂移量的變化規(guī)律，文中分析了不同溫度條件下，誤差年漂移量的分布情況。討論了室溫（20℃）條件下誤差年漂移量隨濕度變化的規(guī)律以及同型號(hào)的兩被試件之間的一致性。為確定各種因素對(duì)誤差年漂移量的影響，文中采用方差分析法，分析了溫度、濕度以及觀測(cè)設(shè)備型號(hào)對(duì)誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。為檢驗(yàn)現(xiàn)行濕敏電容傳感器的檢定周期是否合理，文中以中國(guó)氣象局對(duì)濕敏電容傳感器的要求為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)使用后靜態(tài)測(cè)試中14支濕敏電容傳感器的合格率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。
3穩(wěn)定性分析結(jié)果
3.1誤差年漂移量隨溫度變化情況測(cè)試時(shí)選取了-30℃，-10℃和20℃3個(gè)溫度點(diǎn)，圖1為各被試件在不同溫度點(diǎn)誤差年漂移量的箱形圖，每個(gè)箱形的數(shù)據(jù)為7個(gè)濕度測(cè)試點(diǎn)的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點(diǎn)為最大值，最低點(diǎn)為最小值，箱形的上框線為上4分位值，下框線為下4分位值，箱內(nèi)線為中位線，箱外“+”點(diǎn)為異常值。從圖中可以看出，對(duì)大多數(shù)被試件來(lái)說(shuō)，低溫時(shí)中位線低，并且隨著溫度的降低，箱形和線段的長(zhǎng)度增加，由此可知誤差年漂移量在低溫時(shí)較低，并且其分布隨溫度降低而變得分散。為定量表征誤差年漂移量隨溫度的變化規(guī)律，文中計(jì)算了誤差年漂移量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)JJF1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)測(cè)量次數(shù)小于9次時(shí)，采用極差法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，如式（1）：表2給出了各被試件在不同溫度點(diǎn)時(shí)誤差年漂移量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差?？傮w來(lái)看，各被試件在-30℃時(shí)誤差年漂移量的區(qū)間為[-5.62，0.82]，-10℃時(shí)為[-3.73，0.95]，20℃時(shí)為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。
3.220℃時(shí)誤差年漂移量的變化規(guī)律南京市年平均氣溫為15.4℃，因此分析20℃時(shí)誤差的漂移情況具有更重要的意義。為了便于分析不同型號(hào)的被試件的誤差漂移情況，按照觀測(cè)設(shè)備型號(hào)將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時(shí)8種型號(hào)的觀測(cè)設(shè)備濕度測(cè)量誤差的年漂移量。從誤差年漂移量曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看，在全量程不同測(cè)量段，誤差年漂移量有很大的差異。除I、IV型觀測(cè)設(shè)備圖2中（a）和（d）外，其余被試件誤差的年漂移量隨濕度的升高向y軸負(fù)向移動(dòng)。在低濕點(diǎn)（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點(diǎn)（＞80%RH），誤差年漂移量的平均值為-1.04%RH。從圖2（a）～（f）中兩條曲線的關(guān)系來(lái)看，II、III、V、VI型觀測(cè)設(shè)備（圖2中（b）、（c）、（e）、（f））的兩套被試件之間的誤差年漂移量具有較好的一致性，兩被試件間誤差年漂移量的差值平均為0.5%RH。IV型觀測(cè)設(shè)備的兩套被試件除50%RH測(cè)試點(diǎn)存在1.81%RH的差異外，其余測(cè)試點(diǎn)誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測(cè)設(shè)備的兩套被試件一致性較差，兩被試件間誤差年漂移量曲線近似平行，其差值平均為3.2%RH。
3.3誤差年漂移量影響因素的方差分析事件的發(fā)生往往與多個(gè)因素有關(guān)，但各個(gè)因素對(duì)事件發(fā)生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗(yàn)觀測(cè)值總偏差的可分解性，將不同因素所引起的偏差與試驗(yàn)誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對(duì)測(cè)試點(diǎn)溫度、測(cè)試點(diǎn)濕度、觀測(cè)設(shè)備型號(hào)進(jìn)行3因素方差檢驗(yàn)，得出3個(gè)因素及其交互作用對(duì)誤差年漂移量的影響。為確定結(jié)果是否是“統(tǒng)計(jì)上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規(guī)定當(dāng)α值小于0.01時(shí)，結(jié)果是顯著的。表3為多因子方差分析表，可以看出，溫度、觀測(cè)設(shè)備型號(hào)以及溫度和濕度交互作用的α值均小于0.01，表明溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設(shè)計(jì)制造水平對(duì)誤差年漂移量有顯著影響。
3.4濕敏電容傳感器檢定周期合理性分析為保證氣象資料的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，要求氣象儀器具有較好的穩(wěn)定性。因此氣象儀器必須進(jìn)行周期檢定以保障其準(zhǔn)確性和氣象資料的可靠性，其中被試儀器的檢定周期則取決于它的穩(wěn)定性。中國(guó)氣象局對(duì)濕度測(cè)量最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。參加試驗(yàn)的14套被試件經(jīng)過(guò)一年的動(dòng)態(tài)比對(duì)試驗(yàn)，使用后的靜態(tài)測(cè)試中有3套被試件仍符合技術(shù)指標(biāo)要求，11套被試件不符合要求，不合格率為78.6%。儀器特性漂移產(chǎn)生的誤差可以通過(guò)檢定給出修正值予以解決，試行的GJB1758.26A《軍用氣象儀器檢定規(guī)程第26部分：地面氣象自動(dòng)觀測(cè)儀》中規(guī)定濕敏電容傳感器的檢定周期為1年。根據(jù)本文研究結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)一年的使用，超過(guò)3/4的傳感器不能滿足技術(shù)要求。為保證濕敏電容傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，德國(guó)科學(xué)工作者建議幾周校準(zhǔn)一次[8]，我國(guó)也建議應(yīng)每半年采用兩種飽和鹽溶液對(duì)濕敏電容傳感器進(jìn)行兩點(diǎn)調(diào)校。
電容式物位傳感器是利用被測(cè)介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器。具有可靠性高、安裝方便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用冶金、采礦等部門作料位控制，是應(yīng)用最廣的一種物位傳感器。
一、電容式傳感器的工作原理
兩個(gè)面對(duì)面放置的金屬板構(gòu)成一個(gè)平板電容器，若不考慮電容的邊緣效應(yīng)，其電容量為C=■。式中：A――兩極板相互遮蓋的有效面積；d――兩極板間的距離，也稱為極距；ε ――極板間物質(zhì)介電常數(shù)。分析得出結(jié)論：當(dāng)A、d、ε中的某一項(xiàng)發(fā)生變化，就改變了電容量C。即電容量C是A、d、ε的函數(shù)，固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器：變面積式、變極距式、變介電常數(shù)式。
①變間隙型電容傳感器。被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效距離改變，從而得到電容量的變化，如圖1. ②變面積式電容傳感器。被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化，如圖2. ③變介電常數(shù)式，如圖3。參見表1：幾種常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
二、電容式物位計(jì)的工作原理
電容式物位計(jì)由電容式物位傳感器和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路兩部分構(gòu)成。其基本工作原理是電容式物位傳感器先把物體的位置變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，然后再測(cè)量電量，最后通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路顯示出物位的數(shù)值。
三、電容式物位傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
電容式物位傳感器由兩個(gè)導(dǎo)體電極（通常把被測(cè)物的容器壁作為一個(gè)電極）構(gòu)成，由于電極間是介質(zhì)（氣體、流體或固體）而引起初始電容的改變，因此可以測(cè)量物料的物位。它的敏感元件有三種，線狀、棒狀和板狀，最常用的為棒狀。它工作溫度、壓力受中間介質(zhì)的限制。電容式物位傳感器一般采用微機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)整靈敏度，并且具有自診斷的功能，還能夠檢測(cè)一些敏感元件的破損和絕緣程度的降低以及電纜和電路的故障等等，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和高可靠性的信息傳遞功能。由于電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，過(guò)載能力強(qiáng)，因此是一種用途廣泛，很具發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌?/p>
四、 電容式物位傳感器的測(cè)量電路
（1）脈沖寬度調(diào)制電路。這種電路的頻率輸出為數(shù)字信號(hào)的輸出，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；靈敏度比較高；輸出能消除溫度和電纜電容的影響。但其輸出非線性大，需誤差補(bǔ)償。
（2）變壓器交流電橋電路 。這種電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，比較適合做精密電容的測(cè)量；但電橋輸出電壓幅值比較小，輸出的阻抗高，其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作，而且電路不具備自動(dòng)平衡措施，構(gòu)成較復(fù)雜。這種電路沒有消除雜散電容的影響，因此要采取屏蔽等措施，但效果不一定理想。
五、電容傳感器的應(yīng)用――非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量
此電路，采用了自動(dòng)電橋平衡電路。
①當(dāng)油箱中沒有油時(shí)，電容傳感器的電容量為Cx =Cx 0，調(diào)節(jié)可調(diào)電容C0，使C0=Cx 0。由于R4=R3，并使電位器RP的滑動(dòng)臂位于0點(diǎn)，即可調(diào)電阻RP的阻值為0。此時(shí)，電橋滿足Cx /C0=R4/R3的平衡條件，電橋輸出U0=0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，油量表指針偏轉(zhuǎn)角θ為零。如圖4（因篇幅所限，圖略。）
②當(dāng)往油箱中注油時(shí)，液位上升為Cx=Cx0+？駐Cx，而？駐Cx與液位h成正比，此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)可調(diào)電阻RP的滑動(dòng)臂向c點(diǎn)移動(dòng)，從而使RP阻值增大，d、c兩點(diǎn)的電阻也隨之增大。當(dāng)可調(diào)電阻RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又處于平衡狀態(tài)，輸出電壓Uo=0。于是電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針則停在轉(zhuǎn)角為θm處。
③由于油表的指針及可變電阻RP的滑動(dòng)臂同時(shí)被電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，所以，θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又與液位高度h成正比，因此可直接讀得液位高度h。
④當(dāng)油位下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r(shí)帶動(dòng)可調(diào)電阻RP的滑動(dòng)臂向0點(diǎn)移動(dòng)，RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，輸出電壓Uo為零。于是電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在與液位高度相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。
⑤從以上分析得到涉及“閉環(huán)控制”的結(jié)論：放大器的非線性及溫漂對(duì)測(cè)量精度影響不大。
總之，在教學(xué)過(guò)程中，教師要讓學(xué)生了解電容傳感器的工作原理和對(duì)非導(dǎo)電液體液位的測(cè)量，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。
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本文控制裝置采用的是S7-200控制器和上明牌ZDSM系列電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。通過(guò)此控制裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的閉環(huán)PID控制。另外在容器的上、下限位處分別安裝液面?zhèn)鞲衅骺蓪?shí)現(xiàn)對(duì)上、下限位的報(bào)警。
關(guān)鍵詞：液位檢測(cè)；電容式傳感器；變送器；控制裝置
第一章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
以單個(gè)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(cè)信號(hào)和變送器，其次是控制器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。軟件設(shè)計(jì)就是對(duì)PLC的編程，軟件較硬件簡(jiǎn)單，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)液位系統(tǒng)的閉環(huán)PID控制，使整個(gè)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)控制裝置出現(xiàn)故障時(shí)，還可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。
圖1.1 系統(tǒng)原理框圖
在液位控制系統(tǒng)中，用電容式傳感器檢測(cè)液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)，然后送給模擬量混合擴(kuò)展模塊(EM235)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與液位成比例關(guān)系的數(shù)字量，CPU將它與液位設(shè)定值比較，并按PID控制規(guī)律對(duì)誤差值進(jìn)行計(jì)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量混合擴(kuò)展模塊,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?hào)，用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，通過(guò)它控制進(jìn)水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的閉環(huán)控制。
第二章 電容式傳感器的設(shè)計(jì)
對(duì)于電容傳感器，設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下幾方面予以考慮。
1.減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣材料的絕緣性能。
環(huán)境溫度變化使電容式傳感器內(nèi)各零件幾何尺寸和相互間幾何位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而改變傳感器的電容量，產(chǎn)生溫度附加誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此，必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)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(shù)低而穩(wěn)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(duì)減小邊緣效應(yīng)極為有利。
傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)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(hù)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(shù)，但成本較高。
電容式傳感器的容抗都很高，特別是當(dāng)電源激勵(lì)頻率較低時(shí)。當(dāng)兩極板間總的漏電阻若與此容抗相近時(shí)，必須考慮分路作用對(duì)系統(tǒng)靈敏度的影響，所以傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外，還要有穩(wěn)定的性能。因此，選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)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(yuǎn)高于塑料和有機(jī)玻璃等材料。在溫度不太高的環(huán)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(zhì)應(yīng)盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)（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(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差，這種溫度誤差雖然可以用后接電子線路加以補(bǔ)償（如采用與測(cè)量電橋相并聯(lián)的補(bǔ)償電橋），但不易完全消除。
可以用數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)表達(dá)溫度變化所產(chǎn)生的誤差，作為設(shè)計(jì)依據(jù)，雖然比較繁瑣，但可以借助計(jì)算機(jī)處理。
傳感器的電源頻率采用50kHZ至幾兆赫，可以降低對(duì)傳感器絕緣部分的絕緣要求。還應(yīng)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(yīng)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(dòng)態(tài)范圍，也增加了對(duì)支架等絕緣材料的要求，這時(shí)甚至要注意極間出現(xiàn)的電壓擊穿現(xiàn)象。
2.消除和減小邊緣效應(yīng)與泄露電容的影響
電容器的邊緣效應(yīng)使設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜化、產(chǎn)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(jié)構(gòu)上增設(shè)防護(hù)電極，防護(hù)電極必須與被防護(hù)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(yīng)減小，從而減小邊緣效應(yīng)。
電容式傳感器的電容量及其工作時(shí)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(dǎo)體構(gòu)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(wěn)定，從而會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，必須消除或減小它。 （2）消除電纜電容的方法有：將測(cè)量線路的前級(jí)安放在緊靠傳感器的地方，或利用集成技術(shù)將它們組合在一個(gè)殼體內(nèi)，以減小或省去電纜長(zhǎng)度和電纜位置變化的影響；對(duì)于圓筒式傳感器可采用接地屏蔽措施，克服不穩(wěn)定的寄生電容的影響。屏蔽和接地時(shí)必須注意避免電極移動(dòng)時(shí)，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(hào)。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(dòng)電極處于地電位，這樣既解決了可動(dòng)電極的絕緣處理問(wèn)題，又可以保證電極移動(dòng)時(shí)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(shuō)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(shè)計(jì)中電容極板的材質(zhì)采用銅，也是制作PCB板的材料，因?yàn)殂~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(yōu)異物理和化學(xué)性能。它塑性好、易加工、耐腐蝕、無(wú)磁性、美觀耐用、特別是，銅的導(dǎo)電和導(dǎo)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(yīng)用的最佳導(dǎo)電體和導(dǎo)熱體。
第三章 變送器設(shè)計(jì)
3.1 電源電路設(shè)計(jì)
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(cè)電路設(shè)計(jì)
本文中所用的電容檢測(cè)電路是由兩片555構(gòu)成的脈寬調(diào)制法。
圖3.2 由555構(gòu)成的脈寬調(diào)制法原理圖
脈寬調(diào)制法的電路原理圖如圖4.2所示。它是用一片555定時(shí)器和一些阻容組成多諧振蕩器，另外一片555定時(shí)器、待測(cè)電容和一些阻容組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。多諧振蕩器的輸出作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號(hào)，這樣單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就輸出一個(gè)占空比與被測(cè)電容成正比的脈沖。而單穩(wěn)態(tài)輸出脈沖的占空比由于輸出電壓平均值有關(guān)，因此只要檢測(cè)出電壓平均值就可以反應(yīng)被測(cè)電容的大小。
該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、測(cè)量方便，具有一般的測(cè)量準(zhǔn)確度。主要缺點(diǎn)是不能自動(dòng)調(diào)零，線性度差。
3.3 電壓轉(zhuǎn)換電路
圖3.3電壓轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)原理圖
因?yàn)檫\(yùn)算放大器具有高輸入阻抗的特性,因而運(yùn)算放大器的兩輸入端的電流和可以近似為零。
因運(yùn)算放大器的輸入阻抗高，故流經(jīng)R10的電流近似為零，又由虛短和虛斷可知，V0及第二個(gè)變送器的輸出電壓相等。對(duì)第三個(gè)運(yùn)算放大器和電壓跟隨器應(yīng)用同樣的原理，并設(shè)輸出電流為I?？傻?/p>
令 可得 ,即
由 OUT= ，又可得
第四章 控制裝置
在液位閉環(huán)系統(tǒng)中，用電容式傳感器檢測(cè)液位，變送器將液位傳感器輸出的電容值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流信號(hào)，然后送給模擬量混合擴(kuò)展模塊(EM235)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到與液位成比例關(guān)系的數(shù)字量，CPU將它與液位設(shè)定值比較，并按PID控制規(guī)律對(duì)誤差值進(jìn)行計(jì)算，將運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量混合擴(kuò)展模塊,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘?hào)，用來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，通過(guò)它控制進(jìn)水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的閉環(huán)控制。
電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用上明牌ZDSM系列直行程電動(dòng)套筒調(diào)節(jié)閥，由套筒閥配用德國(guó)進(jìn)口PS系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。
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中圖分類號(hào)：TM451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）14-0020-03
目前，智能電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，其已成為全球能源發(fā)展和變革中的重大研究課題，其中各類電信號(hào)的測(cè)量技術(shù)及其傳感器是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)、控制、分析和決策的基礎(chǔ)，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。電壓互感器的準(zhǔn)確性、可靠性、便利性和快速性是電能計(jì)量和繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷、電力系統(tǒng)故障分析中的關(guān)鍵技術(shù)要求。
電磁式電壓互感器（Potential Transformer，PT）和電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。雖然電網(wǎng)中普遍使用的電容式電壓互感器和電磁式電流互感器的技術(shù)成熟，而且擁有長(zhǎng)期的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，但它們的測(cè)量線性度較差、瞬變響應(yīng)速度較慢，且電磁式電流互感器的瞬態(tài)誤差特性也不理想。
傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器存重量大和體積大的特點(diǎn)，而且隨著特超高壓電網(wǎng)的發(fā)展，其絕緣強(qiáng)度要求難度越來(lái)越大，同時(shí)由于具有鐵芯，可能導(dǎo)致發(fā)生鐵磁諧振過(guò)電壓和由鐵磁飽和帶來(lái)的動(dòng)態(tài)范圍變小等缺點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)當(dāng)前智能化電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。
與電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器具有更多的優(yōu)點(diǎn)，其分壓結(jié)構(gòu)可以提高互感器的動(dòng)態(tài)范圍，使其更容易提高絕緣強(qiáng)度。但該互感器不能夠及時(shí)跟蹤電壓變化，不能滿足繼保系統(tǒng)中的要求，而且該互感器能夠捕捉到高頻的過(guò)電壓波形，也不能滿足電力系統(tǒng)故障診斷與在線監(jiān)測(cè)要求，而電容式電壓互感器中耦合電容、補(bǔ)償電抗器以及中間變壓器等內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件構(gòu)成的RLC電路會(huì)使得電容式互感器的暫態(tài)特性會(huì)變差，使得當(dāng)一次系統(tǒng)發(fā)生如電壓跌落故障時(shí)，電容式電壓互感器的輸出并不能立即跟隨一次側(cè)輸入變化，并且在高頻過(guò)電壓下，二次側(cè)輸出可能發(fā)生由鐵磁諧振導(dǎo)致的高頻振蕩，無(wú)法反映一次側(cè)輸入波形。在一些不易進(jìn)行直接測(cè)量的場(chǎng)合，如對(duì)高壓套管、被絕緣層包裹的變壓器繞組接頭處等進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器的使用也具受到了限制。
1 D-dot傳感器測(cè)量
3 結(jié) 語(yǔ)
D-dot傳感器是一種電場(chǎng)耦合的傳感器，工作原理上與通過(guò)傳遞能量實(shí)現(xiàn)測(cè)量的PT和CVT有所不同，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有較大的測(cè)量帶寬和動(dòng)態(tài)范圍、能夠抑制非線性負(fù)載的感應(yīng)電壓過(guò)沖，為克服上述問(wèn)題提供了新的途徑。但是傳統(tǒng)的D-dot傳感器由于傳遞函數(shù)限制與積分器、衰減器的使用，其工頻與高頻響應(yīng)會(huì)存在幅值與相位誤差的同時(shí)也存在傳感器體積與絕緣強(qiáng)度之間的矛盾，限制了其作為電力互感器的使用。通過(guò)分析D-dot傳感器的工作原理及其影響因素，指出一種通過(guò)差動(dòng)輸入和多重電極并聯(lián)的方式被引入以使互感器工作于自積分模式，使其能夠作為無(wú)接觸式電子式電壓互感器應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓測(cè)量領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便捷的特點(diǎn)，理論上分析其在額定電壓范圍內(nèi)線性擬合較高，而且具有很高的動(dòng)態(tài)范圍，幅值與相位誤差能夠達(dá)到計(jì)量要求，能夠快速反應(yīng)暫態(tài)電壓變化，是未來(lái)的發(fā)展方向。
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2背景
長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在探索提高燃油油量測(cè)量精度的途徑。早在1952年,美國(guó)Raytheon公司就動(dòng)用了一大批技術(shù)力量對(duì)此進(jìn)行研究。在該公司所著《燃油測(cè)量技術(shù)研究》中就提出采用機(jī)械、振動(dòng)、超聲波、電磁、電、光、核輻射等各種原理來(lái)測(cè)量航空器的燃油測(cè)量。。隨著航空事業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，電容式燃油油量測(cè)量技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的直升機(jī)燃油測(cè)量技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)外在取得上述成就的基礎(chǔ)上,又著手研究利用光纖技術(shù)來(lái)進(jìn)行燃油油量測(cè)量，如能投入實(shí)際應(yīng)用,則將再使這方面的技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。
3測(cè)量技術(shù)
目前通用的燃油測(cè)量是利用裝在直升機(jī)油箱中的變介電常數(shù)電容式傳感器電容的變化來(lái)感受直升機(jī)油箱燃油液面的高度變化，再根據(jù)油箱的高度容積曲線計(jì)算出燃油油量。油量傳感器為線性傳感器。當(dāng)油面的高度變化時(shí)，在激勵(lì)信號(hào)的作用下將燃油高度的變化量轉(zhuǎn)換為等量的電容量變化，再通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的各油量測(cè)量通道轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)數(shù)字化后輸入到顯示設(shè)備的處理裝置，最終計(jì)算出燃油液面高度變化后的油量容積。電容式傳感器:
3.1電容式傳感器的分類。電容式傳感器一般有變間隙型、變面積型和變介電常數(shù)型三種方式，其中變介電常數(shù)型是目前航空燃油測(cè)量使用最廣泛的一種，簡(jiǎn)介如下：變介電常數(shù)傳感器，變介電常數(shù)傳感器是直-9采用的傳感器，當(dāng)電容極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之改變，直-9在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用垂直定位圓柱形傳感器的電容技術(shù)，傳感器為線性電容式，由同軸安裝的特制雙層薄壁鋁合金管和外體組成，其電容增量隨所在燃油箱內(nèi)燃油液面高度變化而線性變化，連接器傳輸電纜采用高絕緣同軸電纜。適于在復(fù)雜環(huán)境條件下穩(wěn)定、可靠地工作，其測(cè)量精度、抗污染性和可靠性均優(yōu)于同類產(chǎn)品。[2]
3.2測(cè)量電橋。測(cè)量電橋由傳感器電容CX、與固定電容C0組成的交流橋路組成，橋路電源為激勵(lì)源產(chǎn)生的正弦波信號(hào)，所以傳感器信號(hào)為正弦波信號(hào)，而通過(guò)固定電容的信號(hào)也為正弦波信號(hào)，但與傳感器的正弦波信號(hào)相位相差1800。兩個(gè)信號(hào)疊加勢(shì)必會(huì)相互抵消，理論上CX=C0，R1=R2時(shí)輸出電壓為零，設(shè)定固定電容為傳感器理論上的干電容值，即CX=C0，R1=R2。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)燃油為零時(shí)傳感器的干電容與理論值稍有偏差，零位需要進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)調(diào)零電位器將輸出的電壓設(shè)定為0伏，通過(guò)調(diào)滿電位器將滿油電壓設(shè)定為5伏，這樣0V-5V區(qū)間就是傳感器的液面變化區(qū)間。將傳感器的電容量轉(zhuǎn)換成與之成比例的交流電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)整形濾波處理輸出模擬電壓信號(hào)。
