电容式传感器十篇

电容式传感器篇1

关键词：电容；传感器；转换；测量

在生产科研活动中，经常要对温度、压力等非电量进行测量，使得现代传感器技术有了飞速的发展。电容式传感器的检测元件可将被测非电量变换为电容量，然后通过对电容值的测量得到相应的非电量的值。由此可见对电容值进行测量是有实际意义的。在数字化测量技术中，为实现对电容所测值进行数字显示，通常是将被测电容Cx先转换成与其成正比的直流电压信号（称C/U转换）或时间信号（称C/t转换）。这里介绍一些具体的转换方法，并详细讨论一个典型的C/U转换电路。

1、测量电容的几种转换方法

⑴ 充电法测电容

图1是这种方法的原理图。集成运放反向输入端所加的基准电压Ur经电阻R对被测电容Cx进行充电，当输出电压Uo达到预先设定的额定值时就停止充电。在Ur和R为定值的情况下，显然充电时间t的长短与Cx成正比。由图1可写出其关系式：

只要测出时间t的大小，就可得知Cx的值。利用这种C/t的转换方法测电容，其可测范围为10μf-999.9μf。

⑵ 充放电法测电容

图2是这种方法的原理图之一，它由窗口比较器对电容的充放电进行控制。基准Ur先对Cx进行充电，当两端电压达到额定值时就对地放电，当电容两端电压降低到一个额定值时再次充电。Cx如此反复的充放电，就形成一个周期为T的震荡电压波形，T值与Cx成正比，因此通过测量时间T的大小就可得知Cx的值。这种通过C/t转换测量电容若配上单片机电容量的分辩率可达（0.5-1）×10-3乘以电容满度值，可测范围为0-200μF。

和上述方法相似的另一种测量方式是称为换向式的测量法，它也是先充电后放电，但放电到-Ur为止通过测量放电的持续时间Td得知Cx的大小，这种方法的优点是对充电电源及放大器参数要求不严格，测量误差小，分辨力可达0.1pF，能满足电容传感器的要求。

⑶ 脉宽调制法测电容

图3是这种方法的原理图。它是在如图所示的单稳态触发器的触发端输入一个脉宽为tw，周期为T的矩形波，在阈值为TH加被测电容Cx。通过Cx充放电在输出端得到一个周期仍为T，但脉宽tw即占空比q=tw/T随Cx成比例变化的矩形波（所以称为脉宽调制）。如果能设法测出tw的值，则Cx也可得，这显然也属于用C/t转换法测电容。由于q随C/x改变是输出的矩形波电压平均值Uo值随之而变，即表明Cx与Uo成正比，所以只要能Uo并测出它的数值，就可以得出Cx的值，显然这属于通过C/U转换测电容。脉宽调制法测电容的范围为0-20μF，最高分辨别率为1μF，它的缺点是测量前都要手动调零，从而延长了测量时间。

⑷ 容抗法测电容

图4是这种方法的原理电路图。运放处于线性工作，Ui是幅度及频率fo均恒定的正弦测试信号。电容中通过正弦交流信号时，其容抗为Xc=1/（2πfoCx），当fo恒定时，Xc与Cx成反比。

2、按容抗法实现的C/U转换电路的设计与分析

根据容抗法测量原理，为实现C/U转换，必须有正弦信号发生器，C/ACU转换电路，AC/DC转换电路，滤波器及辅助电路等。

由集成运放N1，电阻R1-R5和C1-C2组成RC桥式振荡器，其中C1R1和C2R2组成RC串并联网络，R3R4R5组成负反馈网络，通过调整R3R4R5 的值使略大于3满足起振的条件，即R4+R5>2R3。运放N2是一级反向输入的缓冲放大器，其电压增益为A = -（R7+RP1）/R6其中RP1为校准电位器，调节RP1可改变N2的电压增益。由运放N3、电阻RS和电容Cx组成测量电容的主电路，其功能是实现C/ACU的转换。由运放N4、电阻R9- R11和电容C3- C4组成二阶有源带通滤波器，其中心频率fo = 400HZ因此有源带通滤波器只允许400HZ信号通过，这样就得到一个纯正的400HZ的正弦波。由集成运放N5、二极管VD3-VD5电阻R13- R16和，电位器RP2和电容C5- C8组成精密整流电路，电路中的R12是N5的同向端输入电阻，R13、 R14为负反馈电阻可将N5偏置在线性放大区并控制运放的增益。

3、电容式传感器的应用

电容式传感器的检测元件将被测非电量变换为电容量变化后，用测量线路（C/U转换电路）把电容容量的变化变换为电压，再通过电压与电容的关系得出非电量的值。可应用在测气体的浓度、油箱油量、导电液体液位等等。

这种电容式转换电路具有线性度好、准确度高、电路简单、成本小、功耗低等特点可应用于一些小型、便携式装置中。例如数字万用表就是利用容抗法实现C/U转换输出平均值电压再配以高分辩率的液晶A/D转换器把模拟量转换成数字量来测量电容的。

参考文献：

[1]沙占友等.数字万用表应用技巧 .北京：国防工业出版社，1997

电容式传感器篇2

Abstract： We present the capacitance detection circuit which based on the structure analysis of capacitive corn moisture sensor and the relationship between capacitance of capacitive sensor and dielectric constant of corn. In addition， different operating modes of detection circuit are analyzed. The relationship between corn moisture content and sensor capacitance is obtained through experiment and binary cubic equation is obtained by the least square fitting method.

关键词：玉米水分；水分测量；电容式传感器；检测电路

Key words： corn moisture；moisture measurement；capacitive sensor；detection circuit

中图分类号：TM930.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0194-02

0 引言

玉米水分含量是玉米细胞的必要组成部分，也是维持玉米细胞本身生命活动所必需的。因此，玉米水分含量既不能过高，也不能过低，要保持适宜。水分过高，重量加重，而且容易引起玉米发热、霉变和其他生化反应；水分过低，会破坏有机物质，损坏干物质，所以，玉米水分的检测是玉米安全存储的主要环节[1，2]。

传统的水分测量方法是烘箱法，这种方法准确度高，适用范围广，但是时间长，步骤繁琐，不宜现场使用。近年来，国内外研究各种间接检测方法以求取代传统烘箱法，主要包括电导法、电容法、射线法、中子法、微波法等，一般速度较快，易实现在线和现场检测[3]。其中电容法是水分检测的常用方法，它具有体积小以及检测速度快的优点，但其高水分时的重复测量精度还有待于提高。

1 电容式传感器测量原理

由于所测玉米为颗粒形状，装入容器中存在许多气隙，因而介电常数较小。但传感器的极板有效面积不能太小，因此设计中的电容传感器采用同轴的圆筒型电容传感器。采用这种传感器的另一目的是，它的电极是非对称的，即内极板被外极板所包络，这样可以十分有效地抑制人体感应。设计的电容式传感器如图1所示。

将被测玉米放入传感器两极板间的介质空腔，由于玉米含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化，从而测出玉米的水分含量。

柱面高为L，内圆柱外表面半径为R1，外圆柱内表面半径为R2。当L>>R2-R1时，可忽略圆柱两端的边缘效应影响。

得到同芯柱型电容传感器的计算公式[4]为：

由上式可以看出，传感器电容的变化与玉米相对介电常数成线性关系，而相对介电常数随玉米的水分含量而改变，因此可得到玉米的水分含量。

2 测量电路

电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这就必须借助于测量电路测量出这一微小电容增量，并转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率[7，8]。电容转换电路有电容充放电式电路、调频电路、运算放大器式电路、普通交流电桥法、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等[9]。

本论文讨论的是利用传感器电容的充电和放电的原理，将电容转换为电压，根据测量的电压来得到传感器的电容[10]。

电容的充电过程：电压Vi对电容C进行充电，t是指充电的时间，RC的乘积是时间常数，充电方程为

该测量电路是利用传感器电容的充电和放电的原理，使输出信号随电容传感器的电容量变化而变化，经过差分运放电路、同相比例运放电路、低通滤波器可得到对应于传感器电容变化的直流电压信号。电容式传感器检测电路如图2所示，图3所示为电容充电时等效检测电路，图4所示为电容放电时等效检测电路。

3 实验与数据处理分析

实验是在室温下进行的，不考虑温度变化的影响。使用检测电路测量出了样品的电容值，并使用烘干法得到了样品的含水量，根据实验数据得到玉米含水量与电容值的关系曲线如图5所示。由曲线可以看出，随着玉米含水量的增加，其对应的电容值也随之增大。

根据实验得到的数据用最小二乘法拟合出电容x（nF）与玉米的水分含量y（%）的二元三次方程，如式（6）所示。

y=-0.000054149x3-0.0089798x2+0.63413x+11.4539

（6）

4 结论

本文准备了多组样品，并通过实验得到了样品的含水量及对应的电容值的关系曲线。由曲线可得出，根据测量电路测出的未知水分样品的电容值，可以得到样品的含水量，并且与实际烘干法测量的样品含水量相比误差很小。由此可以得出，本论文讨论的电容式传感器及其测量电路测量玉米水分的精确度比较高，适合玉米水分的精确测量。

参考文献：

[1]景勇.电容式粮食水分仪的研究与设计[J].沈阳航空航天大学学报，2011，28（2）：51-54.

[2]C.V.K. Kandala. Instrument for Single-kernel nondestructive moisture measurement[J].Food and Process Engineering Inst of ASAE，1993（36）：849-854.

[3]翟宝峰，白媛.电容式粮食水分检测仪的设计[J].辽宁工学院学报，2003，23（1）：34-35.

[4]BABANKUMAR Bansod. Performance evaluation of digital grain moisture analyzer for Indian wheat[J].Journal of scientific &Industrial Research， 2011（70）：41-44.

[5]MAHMOUD Soltani. Use of dielectric properties in quality measurement of agricultural products[J].Nature and Science，2011（4）：57-61.

[6]黎章.基于AVR单片机的谷物水分检测系统[J].农机化研究，2010（6）：183-185.

[7]丁英丽.基于电容式传感器的粮食水分测量仪[J].传感器技术，2003（4）：54-56.

[8]陆静霞.基于电容式传感器的粮食水分测量仪的研究[J].农机化研究，2005（6）：122-123.

电容式传感器篇3

关键词：加速度　差容式　力平衡　传感器

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

电容式传感器篇4

关键词：电子式电压互感器；检测电压原理；光学电压互感器

中图分类号：F416.61 文献标识码A

电子式电压互感器从检测原理上大致可分两类：检测电压型和检测电流型。检测电压型EVT包括：电容分压型（ECVT）、电阻分压型（ERVT）以及光学电压互感器（OVT），即Pockels电光效应型OVT和逆压电效应型OVT。本文通过分析比较上述各种电子式电压互感器的原理及特点，分别总结了各种原理的优缺点及对电压互感器特性的影响因素，最后提出在设计过程中应该注意的问题及减小影响的措施。

1 电子式电压互感器通用结构

根据国际电工委员会（IEC）的标准定义[1]，电子式电压互感器的通用结构由一次部分、二次部分和传输系统构成，如图1所示。P1、P2是一次输入端，根据不同的检测原理可以是电压输入或者是电流输入。传输系统可以选择电缆或者光缆，在数字化变电站中，选择光纤是比较理想的。保留模拟量的二次输出为S1、S2，是为了与传统的计量或者保护装置对接。

根据一次传感原理和传输系统的不同组合，EVT通用结构的一次部分有些地方可以省略，而二次部分的各个环节却不受影响。例如，光学电压互感器，由于光纤传输可以直接将光测量信号传送出去，就不需要一次转换器，也无需一次电源了。将来，随着二次设备数字化进程的不断深入，二次转换器模拟接口也会逐渐取消。

图1 EVT通用结构

2 检测电压型电子式电压互感器

2.1 电容分压型电子式电压互感器

电容分压型电子式电压互感器，采用电容器作为传感器，虽然不同厂家设计的传感器在组成结构上略有差别[2-7]，但是大体上可用图2来表示ECVT的原理结构，图中略去了高、低压侧电子部件的电源。

图2 ECVT原理结构图

上图传感器中二次分压环节有用电阻分压的，也有利用电容分压的。当在低压臂电容C2侧并联一电，且其阻值R满足1/Rω（C1+C2）（ω是被测电压的角频率）时，传感器输出的是被测信号的微分，需要在微机处理中进行数字积分还原出被测量。

ECVT综合了电容式电压互感器（CVT）和OVT的各自优点，易于实现，是目前EVT的主流产品。但是也存在以下缺点：

1）. 其测量准确度受杂散电容和电容温度系数影响，在设计时一般选用低温度系数电容并在互感器高压部分安装屏蔽罩的措施来消除或减小杂散电容的影响。

2）. ECVT存在暂态测量误差问题，主要是俘获电荷现象和高压侧出口短路。以俘获电荷现象为例加以说明，当线路断开时，线路等效电容C上的电荷可能被ECVT电容分压器所俘获，如图3所示。俘获电荷量的多少取决于断开线路时电压的瞬时值，C2可经所接设备的等效并联电阻R放电，而C1保存的电荷Q较难泄放，当线路重新接入时线路经电网的低直流阻抗立即放电，迫使C1的电荷转移到C2，使C2充电到二次电压输出值上，并按时间常数RC2做衰减，R值越大，衰减越慢，误差持续越久。

3）. ECVT在拉合隔离开关过程中可能出现EVT二次电压偏高[8]，引起的原因是由于低压臂并联等效电阻阻值过大，造成电容残余电荷累积很难泄放所致。因此，在ECVT设计中要特别注意低压臂并联等效电阻阻值。

2.2 电阻分压型电子式电压互感器

电阻分压型电子式电压互感器ERVT与电容分压型电子式电压互感器主要区别于传感器上，其采用精密电阻分压器作为传感元件[9]，传感部分技术成熟，测量准确度高，但受电阻功率和绝缘的限制主要应用于10kV和35kV等级的中低压配电领域。图4是ERVT传感器原理结构图。

图3 ECVT俘获电荷现象简图

图4 ERVT传感器原理结构图

电阻分压器由高压臂电阻R1、低压臂电阻R2和过电压保护的气体放电管S构成，其测量品质主要受电阻特性和杂散电容影响。10kV和35kV电压等级主要选用高稳定性的厚膜电阻作为分压器的高低压臂电阻。为了抑制杂散电容的影响，与ECVT一样，要安装屏蔽罩改善分压器电场分布。

2.3 光学电压互感器

光学电压互感器从原理上分基于Pockels电光效应的OVT和基于逆压电效应的OVT。但两者都是利用了光学晶体在电场作用时某些能够反映电场强度大小的物理量的变化值，而求得电场强度进而求出电压的。如Pockels电光效应是说，当光通过在外加电场作用下的电光晶体时，会发生双折射，且双折射两光波的相位差与电场强度成正比，如果电场经过晶体的距离固定，则与作用在晶体上的电压也成正比。而逆压电效应是指，当压电晶体受到外加电场的作用时会发生应变，将之转化为光信号的调制并检测光信号，则可实现电场(或电压)的光学传感。图5和图6分别是这两种OVT传感器的原理结构图。

图5 基于Pockels效应的OVT工作原理图

图6 基于逆压电效应的OVT工作原理图

以上两图直观的反映了两种OVT的工作原理。BGO是一种具有Pockels电光效应又无自然双折射、无旋光性和无热释电效应的理想电压敏感材料，所以一般采用BGO作为电光晶体。而石英晶体是压电晶体，当沿圆柱形石英晶体X轴施加交变电压时，就会在Y轴产生交变的压电应变，从而使圆柱晶体周长发生变化，这个压电形变由缠绕在晶体表面的椭圆芯的双模光纤来检测，反映为光纤的两种空间模式(即LP01和LP11偶模)在传播中形成的光相位差。

与分压型的EVT相比较，光学电压互感器最大的优点是从原理上保证了优良的测量品质，即动态范围大、测量精度高。因此，OVT长期以来受到业界的充分关注。但是，由于复杂的生产工艺以及受光功率波动、温度变化对其测量精度影响而带来的长期运行的可靠性与稳定性问题，OVT的实用化和产业化一直受阻。

3 结语

本文对各种原理的电子式电压互感器进行讨论，可得出以下主要结论：

（1）ECVT是目前电子式电压互感器的主流产品，但其暂态测量准确度有待提高；

（2）ERVT受电阻功率和绝缘限制而不能应用在更高电压等级；

（3）OVT从传感原理上保证了其具有优良的测量品质，但复杂的生产工艺，易受光功率波动、温度变化影响的测量精度以及采用光纤传输对其简化绝缘降低成本的微弱效果，使其实用化进程缓慢；

参考文献：

郭志忠.电子式互感器评述[J].电力系统保护与控制,2008,36(15):1-5.

时德钢,刘晔,张丽平,等.高电压等级电压互感器综述[J].变压器,2003,40(6):11-14.

吴涛,周有庆,曹志辉,等.新型中高压电子式电压互感器[J].电力自动化设备,2009,29(12):109-112.

王红星,张国庆,蔡兴国,等.电容分压型电子式电压互感器研究与设计[J].电力自动化设备,2009,29(10):83-87.

罗苏南,南振乐.基于电容分压的电子式电压互感器的研究[J].高电压技术,2004,30(10):7-8.

段雄英,廖敏夫,邹积岩.基于电容分压器的电子式电压互感器的研究[J].高电压技术,2003,29(1):50-51.

王佳颖,郭志忠,张国庆,等.电子式电压互感器暂态特性仿真与研究[J].电力自动化设备,2012,32(3):62-65.

电容式传感器篇5

摘要：在苹果iPhone和LG普拉达手机触摸屏成功运用的激励下，投射电容式触摸屏可以很好地被各种应用所采用。下文是这项技术的概述以及在您的产品中如何决定用哪种类型的投射电容式触摸屏。

关键词：投射电容式触摸屏；电容式触摸屏；触摸屏

中图分类号：TN141文献标识码：A

Touch the Future: Projected-Capacitive Touch Screens Reach for New Markets

John Feland

（Synaptics, Inc.,Santa Clara,CA,U.S.A）

Abstract: Spurred by successful implementation in devices such as the Apple iPhone and the LG Prada phone, projective-capacitive touch screens seem poised for mass adoption in various applications.Here is an overview of the technology and how to decide which type of projective-capacitance touch screen to use in your product.

Keywords: projective-capacitance touch screen ；capacitive touch screen；touch screen

2007年3月LG普拉达手机(见图1(a))以及随后2007年6月的苹果iPhone、2007年9月的iPOD触摸屏、2007年10月的三星Yepp YP-P2等产品(见图2（b）)的发行向世界传递了一个信号，即透明投射电容式触摸屏已经做好被大量应用的准备。在2007年之前，透明投射电容式技术只是一项具有很小影响力的小生境技术。

据估计2006年投射电容式触摸屏在全世界的总销售额低于2,000万美元；但是随着此类触摸屏技术的发展，逐渐开辟出了通向各种平台的道路，消费类电子厂商通过多媒体市场采用这项技术，来改变终端用户的体验，使得2008年销售额增为原来的5倍。

在各公司探索这项日渐成熟的技术，并应用于他们产品的时候，一些问题也产生了，例如：哪种投射电容式传感器适合我的应用，什么是玻璃和塑料衬底之间的交替使用。以上这些问题，还有一些其它问题将在下文进行介绍。

图1 LG普拉达手机（a）和三星Yepp YP-P2媒体播放机（b）是采用投射电容式触摸屏的首批消费类电子产品中的两个

图2 自我电容触摸屏工作过程示意图

1电容触摸屏

主要有两种类型的触摸屏采用电容传感作为主要输入方法：表面式电容和投射式电容。表面电容触摸屏采用一层铟锡氧化物（ITO），至少有四个电极。当一个接地的物体靠近时，例如手指，这些电极能够感应表面电容的变化。3M微触公司（3M Micro-Touch）作为该技术的最主要供应商之一，这种方法很长一段时间被用在信息亭触摸屏上。

但是表面电容式触摸屏有一些局限性，它只能识别一个手指或者一次触摸。另外，考虑到电极的尺寸，对于小尺寸屏幕（如那些用在手持式平台上的屏幕）是不切实际的。

传感器利用触摸屏电极发射出的静电场线称为投射电容式触摸屏。一般用于投射电容传感技术的电容类型有两种：自我电容和交互电容。

自我电容又称绝对电容，是最广为采用的一种方法。它把被感觉的物体作为电容的另一个极板。该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，从而被感觉到。所测量的电荷存储在结果电容耦合中。图2表示了上述原则是如何工作的。

交互电容又叫做跨越电容，它是通过相邻电极的耦合产生的电容。当被感觉物体靠近从一个电极到另一个电极的电场线时，交互电容的改变被感觉到，从而报告出位置。在汽车应用中交互电容传感器作为传导性传感器被广泛用作汽油调节。

数百万种自我电容方法在人们日常生活的位置传感中被采用。例如当今的笔记本电脑上触摸输入板到处存在。最典型的笔记本电脑触摸输入板采用X×Y的传感电极阵列形成一个传感格子。当手指靠近触摸输入板时，在手指和传感电极之间产生一个小量电荷。采用特定的运算法则处理来自行、列传感器的信号来确定被传感物体(此处指的就是手指)的位置。

在上述两种类型的投射电容式传感器中，传感电容可以按照一定方法设计，以便在任何给定时间内都可以探测到触摸，该触摸不仅局限于一根手指，也可以是多根手指。

不透明投射电容式传感器可以用在很多设备上，如触摸输入板和投射电容式触摸屏，其操作的基本原理是一样的。其不同之处在于传感器电极的材料、传感器衬底、制造方法，以及方法堆栈中的很多问题。触摸输入板可以用不透明材料制造，如采用金属或者传感领域的碳基电极。投射电容式触摸屏必须是透明的，因此，经常用与基于电阻式触摸屏的透明导体相同的材料来制造，例如ITO。

但是，与电阻式触摸屏不同，投射电容式触摸屏不需要层与层之间的空气间隔，或者不需要令任何层变形，因此，传感器可以采用坚硬的玻璃或者塑料衬底。投射电容式和电阻式触摸屏构造的关键不同之处是有关ITO的要求，投射电容式触摸屏的ITO是作为后一层定型在前一层上，而不是像电阻式触摸屏一样采用连续的膜淀积。虽然增加了工艺复杂程度，但是考虑到采用投射电容式触摸屏的好处，还是非常值得的。

例如，Synaptics在媒体播放器的清除键传感器上采用新奇的金刚石模式。X轴方向的传感器形成一层，Y轴方向的传感器形成另外一层，然后加上接地层或者保护层来完成，如图3所示。

图3 Synaptics用于清除键传感器上的金刚石模式

在玻璃和塑料衬底的选择上并没有明显区别。都可以层积在塑料或者玻璃镜头（屏幕保护）上，这些取决于原始设备制造商的产品设计。玻璃相对厚点、重点、贵点，但是整体坚硬些，可以潜在地降低设备其余地方的成本。玻璃比塑料的透射系数高，尽管两种材料都比同尺寸的电阻式触摸屏高。塑料传感器相对薄些，并且比较容易层压在产品镜头上（因为把柔性材料层压在硬性材料层上比层压两层硬性材料容易些）。既然制造方法类似，玻璃和塑料衬底都可以用来制造自我电容触摸屏和交互电容触摸屏。

大部分传感器供应商采用连续同一批溅射工艺在衬底上刻蚀ITO图形。

3M微触摸公司于2007年宣布了卷对卷制造投射电容传感器的可能性。过去，虽然刻蚀这种图形的技术已非常成熟，但是会引起触摸屏表面的反射系数有所不同，当光线划过表面时会造成图形可见。最近获得的反射系数更加匹配，而且传感器图形几乎不可见。

表面电容式触摸屏在小尺寸生产时具有实际的局限性，而投射电容式触摸屏在大尺寸时具有局限性。

传感器电极必须离得足够近，这样手指可以影响至少两个电极的电场线从而确定手指的位置。同样地，伴随着屏幕尺寸的增大传感器电极的数目也需要按照相应的几何比增大。随着投射电容式触摸屏尺寸的增大，需要发送回控制器的传感器电极的数目会迅速增加，同样迫使传感器的非活动边框扩大。有一些窍门可以制造大尺寸投射电容式触摸屏，但是这些设计到目前为止并没有在真实产品中得到验证。

2控制器是关键

如果没有控制器，传感器只是一片没有作用的塑料或者玻璃。与每一个物品上的（从应用处理机到MP3解码芯片）的电阻式触摸屏控制器的增殖性和综合性相比，投射电容式触摸屏仍然需要专门的芯片来驱动传感器，以及解码一根手指或多根手指在触摸屏上的位置。

Synaptics在市场上接受清理键模块的途径是采用自我电容技术，该技术是从已经使用的数百万笔记本触摸输入板借鉴来的。Synaptics控制器使用的传感设计是这样的，先测验X轴上的每一个传感器轨迹，随后测验Y轴上的每一个感器轨迹，找出每一个轴上的最大电容点。这种技术可以屏蔽同度噪音，如湿度、温度的变化或者外界噪声源（比如60Hz的线性噪声）。

苹果公司在iPhone和iPod触摸屏中采用的是交互电容技术。Apple/Broadcom控制器使用的传感设计是刺激Y轴上的每一条线，一次刺激一条。对于每一条Y轴线，控制器测量该条线和每一条X轴线处的交点电容。结果就是无论什么映像都是正在触摸700X-Y交点处的表面。但是，这种技术相对于自我电容技术对环境噪声非常敏感。到目前为止，以上的控制器供应商名单中并没有用于已的产品，所以并不知道他们采用什么技术。

3丰富的手势调色板

一般来说，要是想推动投射电容式触摸屏被广泛采用，首先要使丰富的手势调色板成为可能。原始设备制造商产品发展组的用户体验和用户界面设计者们非常渴望这种新能力。直觉手势的运用为减少当今用户设备的复杂度提供了巨大希望。

人们常常会问这样一个问题，手势处理会在那里发生呢？手势可以在四个地方进行处理和解码：在触摸屏控制器中，在独立CPU或DPS中，在主机CPU触摸屏驱动器中或者在主机CPU正在运行的应用设备中。在玻璃衬底和塑料衬底的对比问题中，并没有绝对的答案，每一种结构都各有优劣。在苹果iPhone中，触摸屏芯片是由两块独立的芯片组成：一个Broadcom模拟处理器，用来处理从传感器传过来的原始模拟信号，将他们转变成由多个X、Y点坐标值组成的数据流；另一芯片是NXP(飞利浦)ARM-7 CPU用来将数据流解码为相应的手势指示。在苹果iPod触摸屏中，上述两块芯片联合成一片芯片，又叫做改进型Broadcom芯片，包括了模拟和数字内核。苹果公司选择独立CPU处理手势而非主机CPU的一个原因是这样可以确保快速的对手势作出反应。iPhone一共包括五、六个独立的ARM内核，所以很显然整个产品架构是分布式计算。

在三星Yepp YP-P2媒体播放机中Synaptics采用了一种不同的方法。媒体播放机的功能比智能电话简单很多，因此媒体播放机一般只有一个CPU，这样限制了可能的手势处理选择的范围。三星Yepp YP-P2媒体播放机采用Synaptics ChiralMotion手势作为仔细寻找各种应用的主要方法。（ChiralMotion是一种智能化虚拟滚动手势，允许用户通过改变手指运动弧线的速度和半径来控制滚动的方向和速度。）触摸屏控制器从触摸屏输出一种由单个X和Y点坐标值组成的数据流。ChiralGesture识别发生在主机CPU正在运行的触摸屏驱动器上。驱动器向用户界面通报用户意图，这样用户界面应用可以满足用户在播放机的其余应用上穿梭触摸，这样不仅美观而且使用简单。

结 论

对于未来的掌上设备而言，投射电容式触摸屏是最有前途的交互作用方法。更薄，更稳健，比电阻式更清晰，支持多手指手势应用，推动工业设计一体化，这样看来下一代触摸屏很可能会广泛应用。可利用选择自我电容、交互电容、底玻璃，底平板塑料、底曲面塑料等的多种组合为原始设备制造商在如何结合这项日渐成熟的技术方面提供了巨大的弹性。

我们已经看到很多掌上设备制造商关于投射电容式触摸屏的实验，不仅可以通过他们的设计来识别，还可以通过用户的体验来识别。我们期待市场上这类成功产品尽快上市。

电容式传感器篇6

有了接近式触摸传感器，按字面意思理解就是没有按压操作了。因为它们是触摸式按钮，而不是按压式按钮。在任何情况下，接近式触摸传感器都没有移动部件。没有弹簧，没有敲击，没有跳动的键帽。而且，它们可以满足任何空间要求。没有任何突出的东西，因此开发人员可以将它们直接安装在设计轮廓上。

飞思卡尔推出的接近传感器系列产――MPR03x器件被优化设计为最适合管理具有两个电极(带中断IRQ功能)或三个电极(IRQ功能被禁用)的应用。由于其高灵敏度且带有一些经优化的特制功能，所以能适应各种应用场合。

MPR03x传感器最多可以管理3个触摸板电极，其中一个电极可选择作为中断输出负责向主机通告电极状态的变化。该中断输出与第3个电极输出进行复用，因此使用该中断输出将电极输入数减为2个。MPR03x传感器包括三级输入信号过滤，以检测由于触摸而引起的触摸板输入条件变化，不需要应用做任何算法处理。

所有MPR03x传感器都作为I2C从动器件操作，以高达400 kbit/s的数据速率，通过I2C双线接口发送和接收数据。双线接口使用串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，实现主从器件之间的双向通信。主器件(通常是微控制器)发起MPR03x传感器的所有数据传输，同时生成同步数据传输的SCL时钟。

配置

MPR03x接近电容式触摸传感控制器拥有三级滤波器。第一级和第二级滤波器允许应用程序对输入信号进行调理，以防止意外状态变化。第一级滤波器过滤高频噪音，第二级滤波器过滤低频噪音，第三级滤波器可以配置为触摸信号基线的检测。

另外，各个电极具有的独立触摸和释放跳变阈值寄存器。这些滤波器还可以提供系统迟滞，具体说来，用户可以对每个电极单独进行触摸和释放阈值寄存器配置，防止任何电极在某个阈值内出现抖动。触摸阈值在电容增加时激活，释放阈值在电容朝基线回降时激活。

MPR03x器件的一个独特功能是拥有可设置的电容范围，因而一个器件可以覆盖各种不同的应用。由于电容测量是基于电荷充放的模式，所以提供的电荷总和是影响电容范围的唯一因素。在这种情况下、提供的电荷由电荷率(恒定电流)与充电时间共同决定。电流可以设为1～64μA，充电时间可以设为500ns-2μs，电压测量范围是0.7～2.0V，这样电容测量值的范围就是0.25～2900pF，只需修改两个参数，这个范围就足以涵盖从很大的电极到只有指尖大小的触摸按键。

MPR03x系列中MPR031(地址：0x4A)和MPR032(地址：0x4B)有不同的I2C设备地址。这意味着同一个I2C总线上可以使用两个有不同地址的部件，从而在同一个系统内就能够部署4～6个更多的电极。利用这一灵活性，根据应用系统的优化，MPR03x器件可以在经过配置后实现最大功能或能效。

MPR03x系列的应用

MPR03x系列电容式触摸传感控制器为触摸控制带来了很多过去根本不可能的新机会。总的来说，这类应用都具有下面的一个或多个特征：

1、外形小巧，通常是手持应用；

2、电池使用寿命特别长：

3、电子设计特别简单。

・蓝牙耳机――蓝牙耳机变得越来越小，因此对按钮的大小和位置有一定限制。使用触摸按键可以使设计变得更简单，用一两个简单的多功能按钮就能控制电源、配对和音量。对于空间更大的器件，可以用两个按钮完成这些任务、以实现更大的使用便利性。由于尺寸限制和电池很小，使得蓝牙耳机成为MPR03x低功率传感控制器的理想应用。

・桌灯――使用简单金属触点开关(带触摸激活功能)的桌灯已经上市多年了。但如果使用MPR03x，则可以实现更精确的控制，包括灯光调暗、开／关控制，甚至家庭自动化智能等。使用更智能的传感器，将为现代家庭的更多电器带来更简单、更直观的界面。

・瓶装水饮水机――不用摆弄标准瓶装水饮水机上的塑料把手，轻轻触摸一下电容式触摸传感器，饮水机就自动放水。举例来说，MPR03x系列可以分别控制冷水和热水出水的触摸按钮。

・遥控钥匙――遥控锁解决方案(RICE)有三个重要的设计注意事项：超低功耗、外形小巧及使用简便。尺寸为2×2mm2的小型MPR03x电容式触摸传感器就能解决所有这3个问题，而且它支持设计人员在钥匙的最终设计中，能够更好地集成上锁、开锁、后备箱开锁和紧急告警功能。

・带LED手电和激光教鞭的多功能笔――MPR03x系列外形小巧，足以集成到只有钢笔大小的应用中，从而在能源预算有限的情况下，在以电池为电源的应用中多增加一些功能。一个开／关按键可以既用来启动LED手电，给低光环境照明，也可以用作演讲时的激光教鞭，而不妨碍笔的纤巧设计。

・手表或闹钟――尺寸仅为2×2mm2的小型MPR03x电容式传感器非常适合于支持像腕表这样的表面空间有限的、器件上的多功能触摸按钮。该传感器的低功率特性还能够延长应用的电池使用寿命。相同传感器还能方便闹钟上的多功能触摸按钮的操作。对于闹钟来说，空间不是至关重要的，但低成本和低功耗仍是首要考虑的问题。

・计算机上的多媒体键――笔记本电脑有很多额外按键，来实现从无线网卡、演示模式到音量控制和基于硬件的DVD播放器等众多功能。MPR03x可以用来简化机械设计为简单的触摸按钮，让计算机呈现简约的现代外观。

・自动调温器――智能调温器被越来越多地用于更有效的气候控制。MPR03x电容式触摸传感器促进了能效更高、使用更便利的自动调温器设计，在一个更优雅的紧凑型设计中，它以触摸板替代机械按钮，来完成时间、温度和菜单选择。

・调光器――电容式触摸传感可以替代“一按即开”和“再按即关”的调光器开关，但这种开关很容易坏。而一个2×2mm2MPR03x电容式传感器能够同时支持两个触摸，其中一个用来调暗，另一个用来调亮，因而不需要移动部件就能切换光线亮度。

・DVD驱动器――这是一个很简单的应用，MPR03x电容式触摸传感器的外形小巧和功耗低特征允许设计人员使用一个可靠的触摸按钮就能打开或关闭光盘托架。

・网络摄像头――大部分网络摄像头都非常简单、紧凑，且价格便宜，无论是用于帧捕捉还是用于视频流。外形小巧、功耗低的MPR03x电容式触摸传感器可以作为一个启动／停止按钮，与网络摄像头集成，以降低复杂性，提高可靠性，保持开发成本和销售价格的低水平。

・飞机座位――对于像商业飞机座位这样的人流量大、容易违反操作流程的环境，触摸按钮尤其有效。经济、可靠的MPR03x电容式传感器可以用于音频／视频信道及音量控制接口。由于没有移动部件，可以最大限度地降低使用期内正常所需的维护。

・咖啡机――对于这样一个每天都会用到的设备，非机械式触摸按钮在其整个生命周期内提供可靠的服务。一个MPR03x传感器通过控制两个按钮(一个用于开／关，另一个用于切换模式)，可以简化设计，提高使用简便性。

电容式传感器篇7

摘要：

数显量具在各种制造业，尤其是传统机械制造业中，正以强劲的势头替代传统的机械量具和气动量具，成为生产现场主导测量器具。容栅数显位移传感技术和产品以其结构简单、对使用环境要求不高、测量速度快、能耗低等优点得到最为广泛的应用。介绍了相对式容栅数显量具的传感器结构、测量原理和相应的电路结构，指出相对式容栅测量系统使用过程中存在的问题，比较了绝对式容栅和相对式容栅的优缺点。介绍了绝对式容栅传感器和电路的结构，最后指出了国外绝对式容栅技术现状，以及国内绝对式容栅技术存在的差距。

关键词：

数显量具；相对式容栅；绝对式容栅

一、引言

在计算机信息技术、自动化数字测量技术快速发展的今天，数显量具在各种制造业，尤其是传统机械制造业中，正以强劲的势头替代传统的机械量具和气动量具，成为生产现场使用中占主导的先进测量器具[1]。日本三丰、瑞士TESA和Sylvac、德国Mahr以及英国Bowers等世界著名量具制造厂商开发的数显量具技术，引领着该领域的发展趋势，数显量具产品在国外工业发达国家的制造业生产现场中已经得到推广普及；同样，在我国汽车制造业、压缩机、家电制造业等产品零部件的先进生产流水线上，数显量具也得到了很好应用。由于具有良好防水防尘性能、测量数据/图形显示和输出、测量数据统计处理分析和故障诊断等优异使用功能，同时又具有可靠的精度，适于在生产现场使用，使电子数显量具量仪成为提高机械制造精度和加工效率的重要工具和手段[2]。目前，在数字化数显位移传感技术和产品中，主要有光栅、容栅、磁栅、球栅和感应同步器等。几大类产品各有优势、互为补充，在竞争中都得到不同程度的发展。而在通用数显量具方面，容栅数显量具的产量大，应用广泛，各类数显卡尺、数显百分表、数显千分表、数显千分尺以及数显内、外径表等等，品种繁多，性能各异。容栅数显位移传感技术和产品以其结构简单、对使用环境要求不高、测量速度块、能耗低等优点得到最为广泛的应用[3,4]。

二、容栅数显位移传感技术

常见的容栅数显量具大多为采用相对式容栅测量技术，其传感器结构图如图1所示。相对式容栅传感器由动栅板和定栅板两部分组成。动栅板的正面装有专用大规模集成电路、液晶显示器件及数据传送用输出接口，背面有发射极和接收极两部分。发射极共有48个小发射极，分成6组，每组各有8个小发射极。小发射极板宽度为L0，每8个小发射极所占的宽度称为一个节距S，S=8L0；其大小与传感器的分辨率有关。接收极为一长金属条，处于发射极的下方，长为5个节距，与中间5组发射极相对应，即前后各空出4个小发射极，这是为了消除边缘效应。定栅板是在环氧敷铜板上腐蚀出宽为S/2、间隔亦为S/2的与其他部分绝缘的小矩形方格，表面粘贴绝缘保护层，这些小方格称为反射极，其他连通部分屏蔽接地，对测量没有影响[5]。动栅板正对定栅板安装，每组发射极中有4个小发射极正对定栅板的屏蔽地，测量中不起作用。在测量时，将发射电压加至发射极上，通过电容耦合，在反射极上产生电荷Qf，从而有电压Vf；又通过电容耦合在接收极板上产生电荷Qr，从而有电压Vr，这就是传感器的输出信号，从而实现了机械位移量到电信号的转换。容栅传感器的输出可近似用如下表达式来定义：（1）式中，Vo(x,t)—表示容栅传感器的输出，它是一个与位移x、时间t有关的电压信号；K—信号传输比例系数；ω—测试系统时钟分频后的参数；λ—表示容栅传感器的节距[4]。由式（1）可看出，容栅传感器是一个调相型位移传感器，它将位移的变化转化为电容的周期性变化量。利用容栅传感器，将位移的变化量周期性变化的电信号，再辅以相关的处理电路，就构成了容栅数显测量系统[1]。容栅数显测量系统的结构框图如图2所示。图中，信号发生器产生测量系统需要的各种时序信号，容栅驱动电路对相应时序信号进行组合，产生周期性变化的脉冲信号，驱动容柵传感器，容柵传感器将位移变化转换成周期变化的电信号，通过鉴相解调电路，变成与位移相关的数字信号，经过数据处理电路，译码显示电路，在液晶显示器中显示出来，最终完成位移量的数字显示。

三、绝对式、相对式容栅测量技术比较

目前国内容栅数显量具大多为相对式数显量具，年销售量接近500万件，每年还在按照15%左右的速度增长，具有很大的市场潜力。但相对式容栅测量卡尺采用增量式测量原理，在使用过程中存在如下3个问题：（1）没有绝对意义上的原点，测量过程中，一旦关机，测量状态无法恢复；（2）当传感器相对移动速度过快时，因处理速度跟不上而发生计算错误，造成测量失败；（3）测量过程中需持续供电，电路消耗的功率较大，电池的寿命太短。而绝对式容栅数显量具是新一代电子卡尺产品，它采用“一点三测”的原理[6]，实现绝对位置的测量，可对所设置的原点位置进行持续跟踪，无论何时开机，液晶屏都会显示关机前副尺相对于原点的准确位置，以便随时进行测量，像游标卡尺一样存在一个绝对意义上的原点，在卡尺通电后即可进行测量而不必进行繁琐的清零，校零操作；而且它可以彻底解决相对式卡尺的超速问题，使得计量更加安全可靠；应用绝对式测量原理，采用间歇工作的模式，减小了测量系统的功耗，也为制造太阳能卡尺提供了可能。

四、绝对式容栅测量技术的实现

图4为绝对式容栅传感器的结构图。绝对式容栅传感器包括粗测、中测、细测三条码道，通过粗测、中测、细测三种测量模式，三种测量模式分别对位移进行粗大精度、中等精度、精确精度的测量，从而完成位移测量的模数转换，实现传感器绝对位置的测量。传感器信号通过后续电路组合，实现粗测、中测、细测的信号合成[7,8]，其中：

细测合成信号=Sa-Sb

中测合成信号=Sc-Sd

粗测合成信号=（Sa+Sb）-（Sc+Sd）

其中，Sa，Sb—传感器粗测差分输出信号；

Sc，Sd—传感器中测差分输出信号。

绝对式容栅测量硬件电路部分用于完成传感器输入信号的放大、解调、整形等功能；软件部分用于完成驱动和输入信号的控制功能，计算传感器检测出的位移量，送给译码显示电路进行显示。绝对式容栅测量系统的电路结构与相对式容栅测量系统的电路结构相似，而由于传感器部分相对要复杂，所以电路的控制部分要复杂些。

五、绝对式容栅测量技术现状

绝对式容栅测量技术在国外已经是成熟技术，日本三丰公司早在1987年申请的专利《电容式测位传感器》中，就已经提出了实现绝对测量的方法，之后在1989年申请了名为《位置绝对测量用电容型测试装置》的专利，在1993年申请了名为《用于绝对位置的测量的电容型测量器具》的专利，对其绝对容栅测量技术进行保护。在此基础上，日本三丰公司成功将该技术应用到数显卡尺、数显高度尺、数显量表中，并实现批量化生产。而在国内，目前仅北京航天峰光电子技术有限公司、桂林广陆数字测控股份有限公司、东莞特马电子有限公司等有限几家数显量具生产厂有相关绝对式容栅数显量具产品在国内机床展览会上亮相，并未形成大批量销售。从产品外观、性能指标、使用寿命、产品稳定性等方面来看，国内绝对式容栅数显产品与国外相比，还有较大差距，需要国内厂商加紧努力，提升技术水平，尽快达到国外相关产品水平。

六、结束语

绝对式测量是现代测量技术发展的趋势，绝对式容栅测量系统是在相对式容栅测量系统基础上研制出来的，其成本与相对式容栅测量系统差别不大，而性能上则有很大的提升，因此必将逐渐替代相对式容栅测量系统，实现容栅测量技术的升级换代。

参考文献：

[1]李强,杨光明,徐刚等.中国量具市场的现状与发展趋势[J].机电产品市场.2007,(8):22-23.

[2]李强,杨光明,徐刚等.从统计数据分析中国量具市场的现状和发展趋势[J].世界制造技术与装备市场.2008,(1):77-81.

[3]王峰,刘建新,李民等.容栅位移传感器在喷油泵试验台中的应用[J].仪表技术与传感器.2004,(5):46-48.

[4]王习文,齐欣,宋玉泉.容栅传感器及其发展前景[J].吉林大学学报(工学版),2003,(4):89-94.

[5]凌锐鸿,王佶.容栅传感器刻划误差的分析计算[J].工具技术.1995,29(7):41-46.

[6]郭永彩,赵毅高潮.一种绝对式容栅测量新技术[J].光电工程.2010,(2):69-73.

[7]株式会社三丰.电容式测位传感器[P].中国.ZL87102580,1990.1.31.

电容式传感器篇8

直升机燃油测量系统作为直升机燃油系统的—部分，主要实现直升机燃油油量的测量、指示等功能。燃油测量系统的测量精度对直升机的性能有着重要的影响，对军用机而言，提高燃油测量精度，意味着可以提高直升机的有效载荷、航程及作战半径；而对民用运输机而言，则可大大改善其经济性。随着现代航空技术的发展，对燃油测量精度的要求越来越高。因此，如何实现燃油的精确测量是设计人员孜孜以求的目标。本文论述直升机燃油测量系统的一般技术途径：C/V变换电路信号采集技术、A/D转换技术、数字信号处理等技术。

2背景

长期以来，人们一直在探索提高燃油油量测量精度的途径。早在1952年,美国Raytheon公司就动用了一大批技术力量对此进行研究。在该公司所著《燃油测量技术研究》中就提出采用机械、振动、超声波、电磁、电、光、核辐射等各种原理来测量航空器的燃油测量。。随着航空事业和微电子技术的发展，电容式燃油油量测量技术成为目前应用最为广泛的直升机燃油测量技术。近年来，国外在取得上述成就的基础上,又着手研究利用光纤技术来进行燃油油量测量，如能投入实际应用,则将再使这方面的技术进入一个新的时代。

3测量技术

目前通用的燃油测量是利用装在直升机油箱中的变介电常数电容式传感器电容的变化来感受直升机油箱燃油液面的高度变化，再根据油箱的高度容积曲线计算出燃油油量。油量传感器为线性传感器。当油面的高度变化时，在激励信号的作用下将燃油高度的变化量转换为等量的电容量变化，再通过测量系统的各油量测量通道转化为直流电压信号，并经过数字化后输入到显示设备的处理装置，最终计算出燃油液面高度变化后的油量容积。电容式传感器:

3.1电容式传感器的分类。电容式传感器一般有变间隙型、变面积型和变介电常数型三种方式，其中变介电常数型是目前航空燃油测量使用最广泛的一种，简介如下：变介电常数传感器，变介电常数传感器是直-9采用的传感器，当电容极板间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变，直-9在设计过程中采用垂直定位圆柱形传感器的电容技术，传感器为线性电容式，由同轴安装的特制双层薄壁铝合金管和外体组成，其电容增量随所在燃油箱内燃油液面高度变化而线性变化，连接器传输电缆采用高绝缘同轴电缆。适于在复杂环境条件下稳定、可靠地工作，其测量精度、抗污染性和可靠性均优于同类产品。[2]

3.2测量电桥。测量电桥由传感器电容CX、与固定电容C0组成的交流桥路组成，桥路电源为激励源产生的正弦波信号，所以传感器信号为正弦波信号，而通过固定电容的信号也为正弦波信号，但与传感器的正弦波信号相位相差1800。两个信号叠加势必会相互抵消，理论上CX=C0，R1=R2时输出电压为零，设定固定电容为传感器理论上的干电容值，即CX=C0，R1=R2。在实际应用中，当燃油为零时传感器的干电容与理论值稍有偏差，零位需要进行调整，通过调零电位器将输出的电压设定为0伏，通过调满电位器将满油电压设定为5伏，这样0V-5V区间就是传感器的液面变化区间。将传感器的电容量转换成与之成比例的交流电压信号，经信号整形滤波处理输出模拟电压信号。

4系统构建

电容式传感器篇9

关键词： 传感器；教学体系；教学方法

0 引言

“传感器原理与应用”课程是测控技术与仪器、电气工程及其自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、机械工程及其自动化、核工程与核技术等专业的专业基础课，也是很多其他工程类专业的选修课程[1]。这门课程是已学课程知识的综合及后续课程的基础，在课程体系中担负着承上启下的作用。理论性和实践性都很强，与通信技术、计算机技术并称为现代电子信息技术的三大支柱[2]。本文针对“传感器原理与应用”课程的特点，结合专业培养的目标，探讨该课程理论教学和实践教学的改革问题。

1 课程特点

传感器课程主要内容是介绍各种传感器的内部结构、测量电路、应用领域及敏感元件的工作原理、制作材料和工艺等。种类繁多，不仅涉及电学、磁学、力学、光学、声学、化学、生物学、数学、材料、机械原理、计算机技术等多门学科[3]，还涉及工业现场的一些实际情况及制作工艺学等，几乎涉及支撑现代文明的所有学科。另外，科学技术的发展对传感器的发展也不断提出新的要求和挑战，大批新型优质传感器不断涌现，要求教学内容能够与时俱进。

2 合理设置教学体系

面对传感器课程综合性强、实践性强、知识更新快的特点[4]，要具体应用某种传感器实现实际的测量，则需综合应用各学科的知识，而知识应用的多元化又使学生很不容易理出头绪，很难找到一条主线。现行的专业设置，人为隔离了学科间的联系，导致学生在知识结构、技能训练和素质培养等方面的片面性，无法提升学生传感器的设计、开发技能。为真正提高学生的综合应用各学科知识的能力，近年来，东北石油大学测控技术与仪器专业在课程体系设置方面进行了调整。开设了“传感器原理与应用”、“数据误差分析”、“单片机原理与应用”、“测控电子线路”等基础课程，注重基础知识的讲解；开设了“模拟电子课程设计”、“传感器课程设计”、“单片机课程设计”等，注重培养学生综合应用的能力。其中“传感器原理与应用”为64学时，其中理论教学56学时，实验8学时，“传感器课程设计”为两周时间。这样，从理论教学、实验教学以及课程设计三个环节完善了课程的设置。

3 优化教学内容，改革教学方法

3.1 提纲挈领，启发式教学 为了便于学生学习理论知识，我们对讲课的内容作了以下处理：把种类繁多的传感器按原理进行分类，如电阻式、电容式、电感式、光电式、压电式、磁电式等；在讲解每一类传感器的原理部分，先引入现实生活中常见的某个应用，调动学生学习的兴趣，之后分析工作原理，并辅以动画演示，增加学习的生动性，进一步分析测量电路及误差影响因素，最后结合实际总结该传感器的应用领域、应用范围等。利用这条主线来学习，大大减少了学生的负担。

3.2 创设问题情境，讨论式教学 由教师通过讲解、板书以及教学多媒体的辅助，把教学内容传递或者灌输给学生的“以教师为中心”的教学方法下，学生逐渐养成了不爱问、不想问“为什么”，甚至是不知道问“为什么”的麻木的学习习惯，形成过度依赖、拒绝思考的现状。针对这一问题，在讲解传感器工作原理、测量电路等理论知识时，采用边推导边设问的方式与给出结论由学生推导分析过程、教师补充不足相结合，增加学生讨论互动环节，使学生不再是被动的接受者，把教学内容转化为个体的学习任务，给学生自我思考时间，并进行实践探索，从而发现问题（使用哪种类型的传感器）、分析问题（传感器的性能、原理）、解决问题（传感器的应用），提高学生思维能力，在设疑解惑中获得传感器知识，构建以提出问题、分析问题、解决问题为主线的能力培养体系，调动学生学习的主动性。

3.3 承上启下，建立各章节间联系 传感器课程知识零碎，内容较多且分散，各章之间缺乏系统性和连续性[5]。针对各章节内容较分散的问题，在讲解某个传感器原理及测量电路时以提问的方式复习前几种传感器原理及测量电路类型，讲解应用时提问是否有用已经讲述过的传感器来替代现有传感器的可能，同时要对这几种传感器的应用优劣性做出对比。例如在讲解电感式传感器原理时通过推导给出电感传感器计算基本公式，此时复习电阻式及电容式的基本计算公式及其推导过程；讲解电感式测量电路时以提问的方式复习电阻式及电容式测量电路形式、特点、注意事项等；讲解应用时以加速度测量为例，可由学生讨论用电阻式及电容式传感器实现测量的原理并分析数学模型，并且要对利用这三种传感器实现加速度检测功能的材料成本、传感器性能、产品制造工艺和检测方法等做出对比。通过这种教学模式，将各章之间建立紧密的联系，这样可以拓宽学生的视野，增进学生对不同传感器之间联系的进一步理解。

3.4 重视实践环节，培养学生科学探究能力 在实验教学中，根据客观条件适当减少验证性实验，增加综合性设计性实验。对于验证性实验，教师利用多媒体技术讲授实验原理，使学生对所做实验有一个理性的认识；学生根据指导书内容独立完成实验。对于综合性设计性实验，每次实验内容在实验指导书中仅提出本次实验的目的、测量目标、测试具体要求、需要掌握的内容等，不限制方法和思路。让学生独立设计实验，并在安全范围内大胆让学生自我设计并进行实验，自行探索，学生成为独立完成实验设计和实验过程的主体，实验教师在必要时给予提示帮助。例如，在转速测量的实验中，教师不用规定学生具体使用哪一种传感器，学生可以自主独立选择传感器。电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等均可以实现转速的测量，学生可以选择其中一种甚至几种来实现测量，然后对测量结果进行比较分析，可以得出在各种情况下哪一种传感器的测量可靠性、精度更高。这样可以充分调动起学生学习的积极性，不但可以提高学生的思维空间，同时还会让学生有惊奇的发现，大大提高了教学效果。通过对这些情况的处理，可以培养学生解决问题的能力和创新思维的能力，在探讨解决较复杂问题的过程中，还可以培养学生的团结协作精神。

课程设计过程通过以下几个步骤完成：选择题目、收集资料、问题总结、答疑解惑、确定方案、具体设计、检查调试、成绩评定。课程设计既要体现个体的综合应用能力，又要体现团体的合作，所以在设置过程中，要求每人一个题目，每五个人一组，在完成自己题目设计的同时又要了解同组同学的设计思路、方法。在课程设计成绩评定中，采取小组答辩的形式进行，让学生对自己的设计思路、设计中遇到的问题、解决问题的方法、结果进行演讲式答辩，教师和其他学生可以提出相关问题（要求同组同学要对本组设计的提问进行补充，视各组团体成绩给最终成绩）。这样既锻炼了学生的表达能力，也有助于学生之间的团结互助，对不同课题组的同学之间的相互学习也起到了一定的促进作用。对于设计思路和效果比较好的小组，可以进一步深化设计体系，进而参加各级别的创新大赛。

4 结束语

在近几年的课程教学中，按人才培养的需求，对课程的理论与实践教学进行了改革与尝试，将知识传授、实践能力培养、综合素质教育融为一体，及时更新、补充教学内容并反映新的传感技术；改革教学手段，增强学生学习的主动性和能动性。学生对于“传感器原理及应用”这门课程的学习兴趣有了显著的提高，教学成果明显。课堂学习气氛较浓，考试成绩也较以往有显著提高，学生在对老师的评教中也给予了很好的肯定；学生创新意识、创新能力在不断提高。

参考文献：

[1]陈淑静，马天才.“传感器原理及应用”课程教学改革探讨[J].天中学刊，2011，26(5)：86-88.

[2]应蓓华，李林功，钟伟红.“传感器技术及应用”课程实践教学改革探讨[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2011，4：64-66.

[3]张向文．《传感器原理及应用》课程教学改革的探讨[J].科教资讯，2007，3(27)：150-151.

电容式传感器篇10

关键词:压力传感器；自动控制系统；管道检测；称重

正文：

随着我国各省市经济技术开发区的不断建立，我国压力容器制造、检测等行业得到巨大的发展空间。压力容器的压力自动控制系统作为压力容器运行维护的重要安全措施，其控制系统的开发与制造、使用与维护对于使用者有着重要意义。利用压力传感器构造自动控制系统是压力容器系统发展的重要方向。随着自动控制技术的不断成熟，越来越多的领域都在积极应用自动控制技术以降低人工成本、提高效率。

1.压力传感器及其自动控制概述

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。其主要是通过感受到被测量的信息，并将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。压力传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，通过压力传感器测量信息后，传送至自动控制单片机或计算机，由计算机对预设信息进行对比后，做出实时的反应，以此完成自动控制的全过程。

2.关于压力传感器构造自动控制的分析

2.1利用压力传感器构造的管道压力自动控制系统分析

根据管道压力检测设定数据选择合适的压力检测传感器，通过传感器将信号转换为4-20MA信号给DCS，然后由DCS对检测到的信号与设定信号对比，输出一个4-20MA的模拟信号来控制现场的压力调节阀的阀位，从而达到通过传感器来控制阀开度的自动控制功能。利用这样的原理及控制系统可以对锅炉压力、输送管道压力等进行自动控制，从而减少人工监测的弊端。

2.2压力传感器在制药行业自动控制的应用

在制药行业中对于压力传感器构造的自动控制系统有很多，最为典型的是片剂自动数粒装瓶机。其是利用压力传感器对瓶中所装内容物进行实时监控，在装到设定重量后，由传感器将信号传到PLC控制模块，由模块将信号转到传动系统将瓶转入拧盖系统。在该系统中还常常将红外光感传感器共同使用，增加数粒准确性，保障产品质量。类此的自动控制系统在食品制造行业也有很多的应用。

2.3利用压力传感器构造饲料分装自动控制系统

在饲料行业中的分装系统是饲料制造企业质量控制的重要控制工序。利用物理压力传感器构造的自动分装系统实现了物料的快速、准确称量，实现了自动分装及配料、进料控制。其主要分为高速分装系统及自动称量装料系统构成。

高速定量分装系统由微机控制称重压力传感器的称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。采用单片机和V/F电压频率变换器等电子器件，以及中央处理器，BCD拔码盘作为定值设定输入器，物料装在料斗里，其重量使称重压力传感器弹性体发生变形，输出与重量成正比的电信号，传感器输出信号经放大器放大后，输入V/F转换器进行A/D转换，转换成的频率信号直接送入微处理器中，其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较，开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。

自动称重和装料装置的实现是通过装料的箱子或袋子沿传送带运动，直到装有料的电子称下面，传送带停止运动，电磁线圈通电，电子称料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中，当料倒完，传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出，并保护传送带继续运行，直到下一次空袋或空箱切断光电传感器的光源，与此同时，电子称料箱复位，控制电子压力称的电磁线圈a通电，漏斗给电子秤自动加料，重量由微机控制，当电子秤中的料与给定值相等时，电磁线圈a断电，弹簧力使漏斗门关上。装料系统开始下一个装料的循环。当漏斗中的料和传送带上的箱子足够多时，这个过程可以持续不断地进行下去。必要时，操作人员可以随时停止传送带，通过拔码盘输入不同的给定值，然后再启动，即可改变箱或袋中的重量。 该系统选用不同的传感器，改变称重范围，则可以用到水泥、食糖、面粉加工等行业的自动包装中。

3.各类型压力传感器发展分析

随着压力传感器在各行业自动控制应用的不断加深，传统压力传感器技术已经不断满足现代科技的要求。为此，更多新型的压力传感技术正在不断的研制与开发中。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。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。新材料在压力传感器的应用为传感器自动控制技术带来更加广阔的发展空间，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，在中国也有越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。蓝宝石压力传感器、压电压力传感器等新材料传感器的开发与应用为压力传感器自动控制系统的发展提供了广阔的发展空间。

结论：

随着压力传感器构造的自动控制系统在各行业应用的不断加深，自动控制系统开发与应用企业也面临着更高挑战。这就要求自动控制开发企业必须加大对相关人才培养与引进，通过人才战略提高自身的市场竞争力，提高对应用压力传感器自动控制系统客户的售后服务，加强压力传感器的检测以保障自动控制系统的精准性，为压力传感技术的应用发展打下坚实的基础。

参考文献

[1]王宏伟.压力传感器原理及应用[J].检测与控制，2007，6.

[2]乔金珠.锅炉压力自动控制系统浅析[J].自动控制资讯，2008，4.

[3]刘海清.自动控制——压力传感[M].机械工业出版社，2006，12.