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時間：2022-11-11 13:52:56
序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦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，帶來更深刻的閱讀感受。
電容式傳感器的優點：電容式傳感器與傳統的電感式、電阻式傳感器相比具有結構簡單，測量范圍大，靈敏度高，動態響應快、非接觸測量等優點，并能在高溫，輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。首先，電容式傳感器結構相對簡單，因此比較容易投入生產。適應性好強，可大可小，從而可以滿足不同需求的測量。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，可見適應性比較強。其次，電容式傳感器具有動態響應好，分辨率高的特點。由于在極板間的靜電引力小，作用能量值也相應降低，能活動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隨之升高，動態響應時間變短，在幾兆赫的頻率下即可工作，因此，此電容器特別適用于動態測量。又由于需要的輸入的能量低，所以即便只是測量極小的壓力、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W為常數時，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，有的甚至只有幾個皮法，所以，電容式傳感器具有高阻抗的特點，又由于電容器本身的C很小，所以電容式傳感器呈現小功率的特性。功率小，發熱自然低，因此溫度的變化對測量的誤差很小。對于非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。
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有關理論為基礎制成的，從靜電場角度考慮，影響其工作性能的因素是存在的，因此在設計和應用時，應給予考慮。首先，電容式傳感器輸出與輸人之間的關系出現較大的非線性，這時可以采用差動式結構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高的絕緣材料，并減少極板間的間距來間接提高提高電容數值；因其電容值的偏低，所以對后續放大器要求很高，這時可以采用提高電源頻率的方法降低容抗值，采用高輸入阻抗運放作放大器，以減小在放大環節的信號衰減。采用帶通或選頻放大技術，對信號頻率進行放大而濾去低頻信號，采用屏蔽，將傳感器和測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
電容式傳感器實際的基本包括了一個接收器Tx與一個發射器Rx，其分別都具有在印刷電路板（PCB）層上成形的金屬走線。在接收器與發射器走線之間會形成一個電場。電容傳感器卻可以探測與傳感器電極特性不同的導體和盡緣體。當有物體靠近時，電極的電場就會發生改變。從而感應出物體的位移變化量。 在石油、鋼鐵、電力、化學等生產工藝過程中壓為是非常重要的參數。此外，在機械制造技術方面，從小批量生產到連續程序控制.從小規模的設備到大規模的成套設備和不斷發展的多功能的成套設備.都需要大量的壓力傳感器。為廠使這些復雜化、大規模化的成套設備能安全運轉，對壓力傳感器的可靠性和穩定性的要求也越來越高.測量壓力有表壓力及絕對壓力測量二種方式。表壓測量采用以大氣壓為基準測容器內壓力的方法。絕對壓力的測量是采用以絕對真空為基準而測容器內壓力的方法。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照大氣開口的結構；而絕對壓力測量則把低壓設在真空室的結構.對高壓和低壓兩例的接觸溶液膜加壓后，通過密封液加到感壓膜上，感壓膜（可變電極）接著高壓側和低壓側的壓力差成正比地改變位置，感壓膜的位移，使膜與兩側固定電極之間形成路電容運差，這個靜電容放差位經電路轉換、放大后就變成4-20mADc的輸出信號。以加速度傳感器是根據壓電效應[1]。
3、電容式壓力傳感器的應用舉例
電容式傳感器廣泛應用在位移、壓力、流量、液位等的測試中。電容式傳感器的精度和穩定性也日益提高，高精度達0.01%電容式傳感器已有商品出現，如一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達5μm[2]。
（1）電容式測厚儀： 測量金屬帶材在軋制過程中厚度 C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容， 其總電容為C= C1+C2 。當金屬帶材在軋制中厚度發生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉換和顯示出帶材的厚度。
（2）電容式轉速傳感器 當齒輪轉動時，電容量發生周期性變化，通過測量電路轉換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。
（3）電容式壓力傳感器：電容式壓力傳感器主要用于測量液體或氣體的壓力，當液體或氣體壓力作用于彈性膜片，使彈性膜片產生位移，位移導致電容量的變化，從而引起由該電容組成的振蕩器的振蕩頻率變化，頻率信號經計數、編碼、傳輸到顯示部分，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生產中。
（4）電容式測微儀 高靈敏度電容式測微儀采用非接觸方式精確測量微位移和振動振幅。電容式測微儀整機線路包括高增益主放大器，包括前置放大器，精密整流電路，測振電路和高穩定度穩壓電源。并將主放大器和振蕩器放在內屏蔽盒里嚴格屏蔽，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部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產生電壓，只要計算出產生電壓和所施加的加速度之間的關系，就可以將加速度轉化成電壓輸出。當然，還有很多其它方法來制作加速度傳感器，比如壓阻技術，電容效應，熱氣泡效應，光效應，但是其最基本的原理都是由于加速度產生某個介質產生變形，通過測量其變形量并用相關電路轉化成電壓輸出。加速度傳感器可以幫助機器了解它現在身處的環境。是在水平，走下坡，還是別的情況。在現代生產生活中被應用于許許多多的方面，如提電腦的硬盤抗摔保護，目前用的數碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據這些振動，自動調節相機的聚焦。壓電加速度傳感器還應用于汽車安全氣囊、防抱死系統、牽引控制系統等安全性能方面.
4、結束語
電容式傳感器是利用電容器原理，將非電量轉化為電容量，進而轉化為便于測量和傳輸的電壓或電流量的器件。電容傳感器與其他類型的傳感器相比，具有測量范圍大、精度高、動態響應時間短、適應性強等優點，在位移、壓力、厚度、振幅、液位、成分分析等的測量方面得到了非常廣泛的應用。電容式傳感器本身就是電容器，在被測量的作用下，將被測量轉化成相應的電容變化量。因此，在設計及應用時要根據傳感器和被測量間函數關系的一些參數和所采用的介質以及工作條件等來確定采用何種工作方式、結構形式。結構元件的材料以及傳感器輸出信號的轉換原理等。
電容式傳感器應用領域主要是壓電微位移、振動臺，電子顯微鏡微調，天文望遠鏡鏡片微調，精密微位移測量，量測液準、濕度、以及物質成分等。
參考文獻：
[1]孫海峰；崔翔；齊磊；；基于黑箱理論與傳統等效電路的無源元件建模方法[J]；中國電機工程學報；2010年06期。
[2]蔡利民；孔力；；圓筒形電容式糧食水分傳感器的數學模型與影響因素分析[J]；分析儀器；2009年01期。
基金項目：
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.
更大的溫度范圍；
更大的濕度范圍；
駕駛與乘客因長期接觸轉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換器不僅比過去多了許多，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械開關。因此，電容式觸控接口（capacitive touch switches，或稱為cap sense）是一個非常具有潛力的取代方案。電容式觸控接口技術不僅無須采用機械式控制元器件，還具備整合人性化接口的功能，十分符合汽車工業對于可靠性與成本效應的需求。
如圖1所示，電容式接口主要是由兩片相鄰電路極板（traces）所構成的電容器：而依據物理法，電容效應是存在于兩片電鄰線路極板之間的。如果有任何導電性的物體（例如：手指尖）靠近這兩片極板時，平行式電容（parallel capacitance）就會與傳感器產生耦合(couple)效應。因此，整體電容會隨著手指尖觸碰電容傳感器而增加；當移開手指時，電容則會隨之減少。所以只要利用一套電路系統來測量電容的變化，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機板空間所構成。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植入車窗玻璃，并應用于后擋風玻璃的除霧器上。另外，電容式傳感器不僅可以隱藏在曝曬印制圖案的背面，還能夠順應各種曲面的弧度，廣泛地應用于汽車的各種功能上。
圖2：典型弛張振蕩器拓撲
建構電容式界面的要素：
一組電容器；
電容量測電路系統；
從電容值轉譯成接口狀態(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。普遍來說，手指尖經由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。越厚的絕緣層所產生的耦合電容則愈低。若要感應手指的觸碰，則必須建置能夠偵測到1%以下電容變化的電容感測電路系統。
弛張振蕩器（relaxation oscillator）是一種非常有效且易于使用的電容量測電路。一般常見拓撲如圖2所示：
這個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(discharge switch)
一組電容式傳感器。
最初，放電開關呈現開啟的狀態，此時全數的電流會流向傳感器，造成傳感器電壓呈現直線上升的現象。此充電動作將持續至傳感器電壓達到比較器閥值為止。這時，比較器會從低電壓轉為高電壓，進一步關閉放電開關。如此一來，電容式傳感器便會快速經由低阻抗路徑放電至地電位。當比較器輸出電壓從高轉低時，整個電路周期則會重復進行。依據下列的方程式，輸出頻率（fout）與充電電流呈現正比的關系；與閥值電壓和傳感器電容則呈現反比的關系。因此借著量測輸出頻率，就可以得知傳感器電容的大小：
假設充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率將。花在量測輸出頻率的時間越長，則可獲得越高的頻率分辨率。由于更高的頻率分辨率會產生更佳的電容量測靈敏度，因此增加量測時間也會相對的提高電容量測分辨率。而設計業者可分別依據不同的應用層面、傳感器尺寸與覆蓋絕緣體厚度等因素，調整量測電容的時間。
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機制。圖3分別顯示周期量測方式的示意圖與波形圖。
圖3：周期量測方式示意圖
弛張振蕩器的輸出頻率在此代表脈沖寬度調變器（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成，頻率的實際值端視不同應用而定。PWM輸出信號則用來當成計數器（counter）閘門（gate）的信號。當此信號為高電位時，計數器會以fref的頻率累積其數值，并于閘門信號下緣(falling edge)產生中斷的情況，此時則可進行讀取或是重設計數器數值的動作。之前曾假設充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率。假設計數器的參考頻率為6MHz，則計數器在一個周期中所累積數值為46，兩個周期為93，而十個周期的計數器數值則為468。由此可知，計數器累積數值越多，產生的分辨率或是靈敏度也就會越高。設計業者可運用下列方法獲得更高的計數值：
提高計數器參考頻率
降低振蕩器頻率
增加閘門信號的周期次數
電容式接口傳感器采用可變更組態的混合信號數組（configurable mixed signal array），為設計業者提供一套具備成本優勢的解決方案，請參考圖4所示：
圖4：Cypress 可變更組態混合信號數組CY8C21x34的示意圖
Cypress 可變更組態混合信號數組CY8C21x34器件不僅內含建置弛張振蕩器所需的可變更組態模擬區塊，還具備作為建置周期量測裝置用的數字區塊。更重要的是，此器件還額外內建一組I/O模擬多任務器。多任務器的每一組針腳都具備一個開關器，可直接連結到模擬總線上。I/O模擬多任務器是一套大型的交叉式開關（cross-switch），能夠讓每一組針腳直接連結到控制系統上的模擬數組。此外，可編程電流源與放電開關也可直接與總線連結。這套內含多功能的可變更組態混合信號數組器件，可讓28個I/O針腳中的任何一個都能被當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系統。
圖5：Cypress推出型號為CY8C21x34的可變更組態混合信號數組
當指尖同時放在兩組并列的電容式傳感器之間時，兩組傳感器很有可能皆會感測到指尖的碰觸。因此，設計業者可利用這樣的原理，近一步研發近似模擬的指尖位置感測裝置。
滑桿（slider）是由多個鄰近的傳感器所組成，在這樣的設計模式下，指尖接觸的范圍可以同時影響到多個傳感器。因此，受影響傳感器的電容值變化可用來計算質心(center of mass)與形心(centroid)。而計算出來的數值可精確的顯示指尖所在位置。圖6顯示滑桿的構成。
圖6：滑桿是由多個鄰近的傳感器所組成
如要達到多個傳感器同時感測出指尖碰觸的目的，設計人員在滑桿的設計上就必須考慮到傳感器的形狀。
恒速行駛操縱裝置（cruise control）為滑桿的應用之一。舉例來說，我們在里程計速度值上放置一排透明的電容式傳感器，只要在55與60兩個數值之間輕輕的點一下，即可將行車時速設定為57 mph。此外，內建電容式觸控傳感器的滑桿也可應用在車燈、音響音量控制等任何測量用的應用裝置上。
隨著車用自動控制儀表板的設計日趨復雜，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都已裝設安全氣囊，當安全氣囊迅速膨脹時，可沒有人希望被一大堆機械器件砸在身上，因此，一般的汽車設計業者都會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在安全氣囊蓋后方的電路極板，并沒有任何機械元器件。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。
車窗是另一項電容式觸控技術尚未觸及的領域。您是否想過直接把車窗除霧器的控制接口直接建置在車窗上？也許現在已經有設計業者將雨刷控制器直接安裝在擋風玻璃上了。也許未來設計人員會在位于門把上方的玻璃上加裝觸控式數字控鎖接口，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。設計業者只要采用玻璃印刷電路技術或印制技術，就可將這類的電容式傳感器建置在物體的表面。設計人員不僅可將這些傳感器設計成常見的按鍵形式，也可自由發揮創意，將傳感器以品牌或是車款名稱，加裝在車窗上(如圖7所示)。
或許公司的營銷人員會對圖7這樣的設計建議表示關切，因為消費者可能會質疑當他們搖下車窗時，是否仍能順利的打開車門？
【關鍵詞】電容測量 撓度測量 荷載試驗 橋梁
1 引言
橋梁是交通運輸網絡的重要組成元素，是城市基礎設施建設的重要內容，因此確保橋梁結構運營安全極其重要。由于受到環境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，將導致結構各部件產生的損傷和劣化。這些損傷與劣化如果不能及時得到有效的檢測和維修，將會影響行車安全、縮短橋梁使用壽命，甚至導致橋梁突然破壞和倒塌。
新橋驗收試驗與舊橋評估檢測是確保橋梁正常安全運營的一項重要工作，荷載試驗是橋梁承載能力評定最有效的方法之一，在荷載試驗時，合理檢測橋梁結構的關鍵狀態參數（如應力應變、撓度、動力參數）是試驗中最主要的內容。撓度直接反映橋梁結構形變是否超出危險范圍，是評價橋梁安全性的重要指標，因此正確有效地檢測橋梁撓度直接關系到試驗結果評價的可靠性。
對斜拉橋、懸索橋及剛構橋等大跨度橋梁，因跨度大、河面寬、橋面高差大、橋面離水面高、測點布置多、溫差變化大，試驗往往需夜間，目前常用的撓度測量方法有位移計法、水準儀法、全站儀法、連通管法、光電法等，但在使用上會受到各種客觀條件限制。基于此本文研發出一款利用電容測量技術與連通管原理有機結構的橋梁撓度測量系統，克服了傳統撓度測量方法的不足，其結構簡單、安裝方便、適用場合廣，且便于實現長期監測與自動化檢測。
2 電容傳感器數學模型
圖1中由兩個同軸圓柱形導體組成一個圓柱形電容器，其內導體外半徑為r，外導體內半徑為R，導體長度為h。當hR-r時，導體兩端邊緣效應可忽略，圓柱體可視為無窮長，則其電容為
（1）
當被測液體的液位在同心圓柱形內高度發生變化時，將導致電容變化，此時，相當于兩個同軸圓柱形電容器并聯，由式（1）得
（2）
令
則式（2）變為
C=a+bx（3）
式中：
為被測液體介電常數，為真空介電常數；
h為圓柱形導體長度，R為外導體內徑，r為內導體外徑；
x為液面當前高度。
由式（3）可知，圓柱形電容的輸出電容與液面高度x成線性關系。系數a、b與傳感器結構的幾何參數、液體介質種類有關，可通過實驗標定方式來獲得。當使用水作為液體介質時，介電常數隨水質與溫度變化而變化，由此對系數b所帶來的測量影響是不能忽略的，在實際應用中必須進行有效的修正。
3 橋梁撓度測量原理
由電容傳感器、水體及連通管構成一個完整的橋梁撓度測量系統（見圖2），將測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，調節水量使液面保持在傳感器量程內某位置處。當橋梁撓度發生變化時，傳感器安裝位置高程隨之發生變化，其內的液面也發生相應改變，通過測量電路可測出此時電容值，即可計算出測點的液面高度。
假設在橋墩附近位置安裝一個傳感器作為參考基準點，設初始狀態時各測量點液面測量值為 （i為測點編號）
當橋梁撓度發生變化時，各測點液面測量值為 （j為測點第幾次測量）
則各測點液面位置變化為
（5）
由此可計算出各測量點相對于參考基準的高差為
（6）
電容式撓度傳感器正是利用被測液體的介電常數，將液位轉化成電容變化來表征輸入信號大小以實現液位的測量。該傳感器具有許多優點：結構簡單、靈敏度高、分辨率高、體積小、安裝方便，但液體介質種類及溫度變化造成的介電常數變化是影響其測量精度、重復性及穩定性的主要因素。
液體介質種類對測量精度的影響，可以通過使用前在線校準方法得以有效消除。環境溫度對介質介電常數的影響，本文通過單獨使用一個傳感器的測量數據，來計算出環境溫度修正項，此傳感器應安裝在與其它傳感器相同的使用環境中，用同類介質充滿到指定高度后與連通管隔離，通過它測量結果來在線計算出當時環境溫度變化對測量精度的修正項。傳感器內的液體介質溫度與種類影響修正項由專用處理軟件完成。
4 電容傳感器結構與測量電路設計
撓度傳感器結構如圖3所示，它由兩個同軸圓筒組成電容兩個電極，兩個電極使用同種金屬材料做成，經氧化處理后確保兩筒間絕緣，兩筒間隙形成儲液腔。在外筒下底部設計可與連通管相接的進水口，上端設計有小孔與空氣相連，以確保測量時水位變化流暢。為提高測量精度，減少寄生電容等影響，在傳感器頂部集成的測量電路組合成一個一體化智能傳感器，在內部設計有自動校準標，并通過RS485口與外部通訊，形成分布式測量結構體系中的一個節點。
電容測量前端選用MS3110芯片，它是個具有極低噪聲的通用電容讀出接口芯片，采用調制解調方式來對單電容或差動電容變化的測量，其測量范圍為（0.25-10）pF，理論精度達4aF。其內部基本電路由電容補償電路、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為檢測電容，CS1、CS2為芯片內部可調補償電容，用于調節輸入電容不對稱而引起的偏置，LPF為低通濾波器，GAIN為可調節增益環節。
測量時通過MSC51系列單片機對MS3110芯片寫入不同控制字進行內部參數設置，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。使用集成有100kHz的轉換速率、12位A/D模數轉換精度的MSC51系列單片機作為上位機，并使用軟件過采樣平均技術將片內12位A/D轉換精度提高到18位。使用MS3110芯片2.25V參考電壓輸出作為內部A/D轉換器的參考電壓，實現比率測量來提高電源看干擾能力。硬件電路如圖4所示，P1.1口作為時鐘與MS3110的時鐘端相連，P1.2與MS3110的SDATA端相連將控制字寫入MS3110。利用單片機集成的串行口，通過MAX485芯片接口，實現與外部雙向通訊，并使用廣播接收、查詢輸出的傳輸協議，實現在分布式結構的測量系統中各測點的同步測量。
5 應用實例與結論
用所開發的電容撓度傳感器，并編制相應的Windows應用軟件，在大跨度剛構橋動靜載試驗中典型實測橋面撓度見圖5，經幾座橋梁應用驗證，結果表明：
（1）傳感器體積小、重量輕、安裝簡單，不受橋面高差影響，使用環境條件寬；
（2）液體介質對測量精度的影響可通過現場校準方式有效解決；
（3）環境溫度對測量精度的影響可使用補償傳感器在線修正；
（4）一體化智能傳感器設計可方便地實現分布式同步自動測量。
參考文獻
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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。
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為減小附加誤差，保證測試數據的可比性，兩次測試均采用相同的標準器和測試設備。標準器為美國GE公司的精密冷鏡式露點儀，露點測量范圍為-60℃～40℃，測量誤差為±0.01℃；測試設備為國產SYSD型一等標準雙壓法濕度發生器，其產生相對濕度的范圍為10%～95%RH，最大允許誤差為±1%RH。1.3測試方法測試中選取-30℃，-10℃和20℃3個溫度點。-30℃時，選取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95%7個濕度測試點。由于被試件技術指標不同，-10℃和20℃時，1#、2#、7#、8#被試件選取20%為低濕測試點，其余被試件選取15%測試點，其他測試點與-30℃時相同。每個溫度點進行兩個循環測試，每個濕度測試點有兩對不同濕度變化趨勢的數據。
2穩定性分析方法
本文利用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩定性。文中定義誤差的年漂移量為使用后各濕度測試點誤差與使用前各濕度測試點誤差的差值，其中濕度測試點誤差為該測試點4次單次測量誤差的平均值。為研究誤差年漂移量的變化規律，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律以及同型號的兩被試件之間的一致性。為確定各種因素對誤差年漂移量的影響，文中采用方差分析法，分析了溫度、濕度以及觀測設備型號對誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。為檢驗現行濕敏電容傳感器的檢定周期是否合理，文中以中國氣象局對濕敏電容傳感器的要求為標準，對使用后靜態測試中14支濕敏電容傳感器的合格率進行了統計。
3穩定性分析結果
3.1誤差年漂移量隨溫度變化情況測試時選取了-30℃，-10℃和20℃3個溫度點，圖1為各被試件在不同溫度點誤差年漂移量的箱形圖，每個箱形的數據為7個濕度測試點的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點為最大值，最低點為最小值，箱形的上框線為上4分位值，下框線為下4分位值，箱內線為中位線，箱外“+”點為異常值。從圖中可以看出，對大多數被試件來說，低溫時中位線低，并且隨著溫度的降低，箱形和線段的長度增加，由此可知誤差年漂移量在低溫時較低，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律，文中計算了誤差年漂移量的平均值和標準偏差。根據JJF1001-2011《通用計量術語及定義技術規范》的規定，當測量次數小于9次時，采用極差法計算標準偏差，如式（1）：表2給出了各被試件在不同溫度點時誤差年漂移量的平均值和標準偏差。總體來看，各被試件在-30℃時誤差年漂移量的區間為[-5.62，0.82]，-10℃時為[-3.73，0.95]，20℃時為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。
3.220℃時誤差年漂移量的變化規律南京市年平均氣溫為15.4℃，因此分析20℃時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的被試件的誤差漂移情況，按照觀測設備型號將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時8種型號的觀測設備濕度測量誤差的年漂移量。從誤差年漂移量曲線的變化趨勢來看，在全量程不同測量段，誤差年漂移量有很大的差異。除I、IV型觀測設備圖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軸負向移動。在低濕點（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點（＞80%RH），誤差年漂移量的平均值為-1.04%RH。從圖2（a）～（f）中兩條曲線的關系來看，II、III、V、VI型觀測設備（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型觀測設備的兩套被試件除50%RH測試點存在1.81%RH的差異外，其余測試點誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測設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生往往與多個因素有關，但各個因素對事件發生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗觀測值總偏差的可分解性，將不同因素所引起的偏差與試驗誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對測試點溫度、測試點濕度、觀測設備型號進行3因素方差檢驗，得出3個因素及其交互作用對誤差年漂移量的影響。為確定結果是否是“統計上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規定當α值小于0.01時，結果是顯著的。表3為多因子方差分析表，可以看出，溫度、觀測設備型號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計制造水平對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確性和連續性，要求氣象儀器具有較好的穩定性。因此氣象儀器必須進行周期檢定以保障其準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定性。中國氣象局對濕度測量最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。參加試驗的14套被試件經過一年的動態比對試驗，使用后的靜態測試中有3套被試件仍符合技術指標要求，11套被試件不符合要求，不合格率為78.6%。儀器特性漂移產生的誤差可以通過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程第26部分：地面氣象自動觀測儀》中規定濕敏電容傳感器的檢定周期為1年。根據本文研究結果可以看出，經過一年的使用，超過3/4的傳感器不能滿足技術要求。為保證濕敏電容傳感器的測量準確度，德國科學工作者建議幾周校準一次[8]，我國也建議應每半年采用兩種飽和鹽溶液對濕敏電容傳感器進行兩點調校。
電容式物位傳感器是利用被測介質面的變化引起電容變化的一種變介質型電容傳感器。具有可靠性高、安裝方便等特點，可廣泛應用冶金、采礦等部門作料位控制，是應用最廣的一種物位傳感器。
一、電容式傳感器的工作原理
兩個面對面放置的金屬板構成一個平板電容器，若不考慮電容的邊緣效應，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 ――極板間物質介電常數。分析得出結論：當A、d、ε中的某一項發生變化，就改變了電容量C。即電容量C是A、d、ε的函數，固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：變面積式、變極距式、變介電常數式。
①變間隙型電容傳感器。被測量通過動極板移動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。被測量通過動極板移動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變介電常數式，如圖3。參見表1：幾種常見物質的相對介電常數。
二、電容式物位計的工作原理
電容式物位計由電容式物位傳感器和測量轉換電路兩部分構成。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換為電量的變化，然后再測量電量，最后通過測量轉換電路顯示出物位的數值。
三、電容式物位傳感器的結構特點
電容式物位傳感器由兩個導體電極（通常把被測物的容器壁作為一個電極）構成，由于電極間是介質（氣體、流體或固體）而引起初始電容的改變，因此可以測量物料的物位。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、壓力受中間介質的限制。電容式物位傳感器一般采用微機控制，能夠實現自動調整靈敏度，并且具有自診斷的功能，還能夠檢測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，并可實現自動報警和高可靠性的信息傳遞功能。由于電容傳感器結構簡單，靈敏度高，過載能力強，因此是一種用途廣泛，很具發展潛力的傳感器。
四、 電容式物位傳感器的測量電路
（1）脈沖寬度調制電路。這種電路的頻率輸出為數字信號的輸出，不需要模數轉換；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，需誤差補償。
（2）變壓器交流電橋電路 。這種電路靈敏度和穩定性較高，比較適合做精密電容的測量；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平衡措施，構成較復雜。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、電容傳感器的應用――非導電介質的液位測量
此電路，采用了自動電橋平衡電路。
①當油箱中沒有油時，電容傳感器的電容量為Cx =Cx 0，調節可調電容C0，使C0=Cx 0。由于R4=R3，并使電位器RP的滑動臂位于0點，即可調電阻RP的阻值為0。此時，電橋滿足Cx /C0=R4/R3的平衡條件，電橋輸出U0=0，電動機不轉動，油量表指針偏轉角θ為零。如圖4（因篇幅所限，圖略。）
②當往油箱中注油時，液位上升為Cx=Cx0+？駐Cx，而？駐Cx與液位h成正比，此時電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Uo經放大后驅動電動機，電動機正轉，帶動指針順時針偏轉，同時帶動可調電阻RP的滑動臂向c點移動，從而使RP阻值增大，d、c兩點的電阻也隨之增大。當可調電阻RP阻值達到一定值時，電橋又處于平衡狀態，輸出電壓Uo=0。于是電動機停轉，指針則停在轉角為θm處。
③由于油表的指針及可變電阻RP的滑動臂同時被電動機帶動，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當油位下降時，電動機反轉，指針逆時針偏轉（示值減小），同時帶動可調電阻RP的滑動臂向0點移動，RP阻值減小。當RP阻值達到一定值時，電橋達到平衡狀態，輸出電壓Uo為零。于是電動機停轉，指針停留在與液位高度相對應的轉角θ處。
⑤從以上分析得到涉及“閉環控制”的結論：放大器的非線性及溫漂對測量精度影響不大。
總之，在教學過程中，教師要讓學生了解電容傳感器的工作原理和對非導電液體液位的測量，提高學生綜合應用能力。
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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。
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中圖分類號：TM451.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）14-0020-03
目前，智能電網技術快速發展，其已成為全球能源發展和變革中的重大研究課題，其中各類電信號的測量技術及其傳感器是實現智能電網監測、控制、分析和決策的基礎，也是智能電網發展的關鍵。電壓互感器的準確性、可靠性、便利性和快速性是電能計量和繼電保護、電力系統監測診斷、電力系統故障分析中的關鍵技術要求。
電磁式電壓互感器（Potential Transformer，PT）和電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）在電力系統中廣泛應用。雖然電網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成熟，而且擁有長期的運行維護經驗，但它們的測量線性度較差、瞬變響應速度較慢，且電磁式電流互感器的瞬態誤差特性也不理想。
傳統的電磁式電壓互感器存重量大和體積大的特點，而且隨著特超高壓電網的發展，其絕緣強度要求難度越來越大，同時由于具有鐵芯，可能導致發生鐵磁諧振過電壓和由鐵磁飽和帶來的動態范圍變小等缺點，已經越來越不適應當前智能化電網的發展趨勢。
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點，其分壓結構可以提高互感器的動態范圍，使其更容易提高絕緣強度。但該互感器不能夠及時跟蹤電壓變化，不能滿足繼保系統中的要求，而且該互感器能夠捕捉到高頻的過電壓波形，也不能滿足電力系統故障診斷與在線監測要求，而電容式電壓互感器中耦合電容、補償電抗器以及中間變壓器等內部儲能元件構成的RLC電路會使得電容式互感器的暫態特性會變差，使得當一次系統發生如電壓跌落故障時，電容式電壓互感器的輸出并不能立即跟隨一次側輸入變化，并且在高頻過電壓下，二次側輸出可能發生由鐵磁諧振導致的高頻振蕩，無法反映一次側輸入波形。在一些不易進行直接測量的場合，如對高壓套管、被絕緣層包裹的變壓器繞組接頭處等進行測量時，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傳感器測量
3 結 語
D-dot傳感器是一種電場耦合的傳感器，工作原理上與通過傳遞能量實現測量的PT和CVT有所不同，可以實現無接觸測量，其結構簡單、具有較大的測量帶寬和動態范圍、能夠抑制非線性負載的感應電壓過沖，為克服上述問題提供了新的途徑。但是傳統的D-dot傳感器由于傳遞函數限制與積分器、衰減器的使用，其工頻與高頻響應會存在幅值與相位誤差的同時也存在傳感器體積與絕緣強度之間的矛盾，限制了其作為電力互感器的使用。通過分析D-dot傳感器的工作原理及其影響因素，指出一種通過差動輸入和多重電極并聯的方式被引入以使互感器工作于自積分模式，使其能夠作為無接觸式電子式電壓互感器應用于電力系統電壓測量領域，具有結構簡單、便捷的特點，理論上分析其在額定電壓范圍內線性擬合較高，而且具有很高的動態范圍，幅值與相位誤差能夠達到計量要求，能夠快速反應暫態電壓變化，是未來的發展方向。
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2背景
長期以來，人們一直在探索提高燃油油量測量精度的途徑。早在1952年,美國Raytheon公司就動用了一大批技術力量對此進行研究。在該公司所著《燃油測量技術研究》中就提出采用機械、振動、超聲波、電磁、電、光、核輻射等各種原理來測量航空器的燃油測量。。隨著航空事業和微電子技術的發展，電容式燃油油量測量技術成為目前應用最為廣泛的直升機燃油測量技術。近年來，國外在取得上述成就的基礎上,又著手研究利用光纖技術來進行燃油油量測量，如能投入實際應用,則將再使這方面的技術進入一個新的時代。
3測量技術
目前通用的燃油測量是利用裝在直升機油箱中的變介電常數電容式傳感器電容的變化來感受直升機油箱燃油液面的高度變化，再根據油箱的高度容積曲線計算出燃油油量。油量傳感器為線性傳感器。當油面的高度變化時，在激勵信號的作用下將燃油高度的變化量轉換為等量的電容量變化，再通過測量系統的各油量測量通道轉化為直流電壓信號，并經過數字化后輸入到顯示設備的處理裝置，最終計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型三種方式，其中變介電常數型是目前航空燃油測量使用最廣泛的一種，簡介如下：變介電常數傳感器，變介電常數傳感器是直-9采用的傳感器，當電容極板間的介電常數發生變化時，電容量也隨之改變，直-9在設計過程中采用垂直定位圓柱形傳感器的電容技術，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。適于在復雜環境條件下穩定、可靠地工作，其測量精度、抗污染性和可靠性均優于同類產品。[2]
3.2測量電橋。測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，橋路電源為激勵源產生的正弦波信號，所以傳感器信號為正弦波信號，而通過固定電容的信號也為正弦波信號，但與傳感器的正弦波信號相位相差1800。兩個信號疊加勢必會相互抵消，理論上CX=C0，R1=R2時輸出電壓為零，設定固定電容為傳感器理論上的干電容值，即CX=C0，R1=R2。在實際應用中，當燃油為零時傳感器的干電容與理論值稍有偏差，零位需要進行調整，通過調零電位器將輸出的電壓設定為0伏，通過調滿電位器將滿油電壓設定為5伏，這樣0V-5V區間就是傳感器的液面變化區間。將傳感器的電容量轉換成與之成比例的交流電壓信號，經信號整形濾波處理輸出模擬電壓信號。
