電容式傳感器
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電容式傳感器范文第1篇
引言
電容傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能測量微小變化等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于位移、速度、加速度等機(jī)械量精密測量。在實現(xiàn)運料車輛尋軌運行至指定位置，進(jìn)行貨料稱重并完成卸載儲存的智能化倉儲管理系統(tǒng)中，利用電容式位移傳感器實現(xiàn)位移檢測，保障小車能夠準(zhǔn)確?？浚湔{(diào)理電路的設(shè)計至關(guān)重要，本文對此進(jìn)行了研究。
1智能倉儲管理系統(tǒng)原理
智能化倉儲管理系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，結(jié)合應(yīng)變片傳感器、電容傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、H橋PWM輸出模塊、放大電路等，構(gòu)成運料小車，其原理框圖如圖1所示。圖1中，應(yīng)變片傳感器完成稱重功能，電容傳感器檢測位移，確定小車?？课恢谩?/p>
2電容傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計
在本電容傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計中采用差動式電容傳感器，調(diào)理電路設(shè)計中采用二極管不平衡環(huán)形電路，差動輸出的電容量在調(diào)理電路中分別是Cx1和Cx2，其調(diào)理電路如圖2所示。電容式傳感器調(diào)理電路由與非門組成的多諧振蕩器、LM324構(gòu)成的放大電路以及二極管不平衡環(huán)形電路構(gòu)成。圖2中，U1A和U1B兩個與非門之間經(jīng)電容C1和C2耦合形成正反饋回路。合理選擇反饋電阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，這時，兩個反相器都工作在放大區(qū)。由于電路完全對稱，電容器的充放電時間常數(shù)相同，可產(chǎn)生對稱的方波。改變R和C的值，可以改變輸出振蕩頻率。方波經(jīng)過LM324運放放大后，送給二極管不平衡環(huán)形電路。二極管不平衡環(huán)形電路中的Cx1和Cx2為電容傳感器的兩個差動輸出的電容量，位移變化時，電容量發(fā)生變化。電容量的變化使得輸出端電壓含有直流分量，直流分量經(jīng)過低通濾波后在輸出端得到不同極性的直流電壓。在系統(tǒng)中該直流電壓大小對應(yīng)位移的變化，從而實現(xiàn)位移的檢測。二極管不平衡環(huán)形電路的設(shè)計如圖3所示。圖3中，Cx1和Cx2為差動式電容傳感器的兩個電容量，D4~D7為特性相同的4個二極管。與非門組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng)過放大后再經(jīng)C4，L1隔離直流和低頻干擾信號，在MO端的電壓uMO為正、負(fù)半周對稱的方波。在uMO正半周時，一路經(jīng)D4對Cx1充電，另一路經(jīng)D5對Cx2充電。在uMO負(fù)半周時，一路經(jīng)D6對Cx2充電，另一路經(jīng)D7對Cx1充電。若初始狀態(tài)下Cx1=Cx2時，C5兩端的電壓uC5是對稱的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是對稱的矩形波，沒有直流分量。當(dāng)Cx1≠Cx2時，C5兩端的uC5為正負(fù)半周不對稱的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量經(jīng)過L2和C6低通濾波后，在輸出端得到不同極性的直流電壓Uo。
3電容式傳感器測位移實驗
搭建電容式位移傳感器調(diào)理電路的測試平臺，隨著位移的變化電容傳感器電容量發(fā)生變化，從而調(diào)理電路輸出電壓UO發(fā)生變化，經(jīng)過多次實驗得到位移—輸出電壓的幾組數(shù)據(jù)，如表1所示；對得到的數(shù)據(jù)計算平均值，結(jié)果如表2所示。采用端點直線法，以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點間的連線作為擬合直線，兩端誤差為零，中間大。取端點（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.
4結(jié)論
針對電容式位移傳感器設(shè)計的調(diào)理電路進(jìn)行試驗平臺搭建和數(shù)據(jù)分析，采用端點直線法進(jìn)行擬合計算出非線性誤差僅為±0.27%，非線性誤差很小，設(shè)計的調(diào)理電路在實際應(yīng)用中有很大的實用價值，能夠準(zhǔn)確的測量微小變化的位移。
參考文獻(xiàn)：
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電容式傳感器范文第2篇
關(guān)鍵詞：車輛載荷檢測； 差動式電容傳感器； STC89LE516AD芯片； 無線通信
中圖分類號：TN712-34
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1004-373X(2011)09-0190-03
Vehicle Load Detection System Based on Differential Capacitance Sensor
CHEN Mei
(Department of Physics and Information Engineering,Shangqiu Normal University,Shangqiu 476000,China)
Abstract： Aiming at the shortage of present vehicle load detection system,a capacitive vehicle load detection system is introduced. In the system,the load detection sensor used differential structure,which greatly improved the measurement sensitivity and non-linear,the capacitance measurement circuit used differential pulse width modulation integrated circuit,data acquisition and processing used STC89LE516AD single chip which has its own A / D converter,data communication used wireless communication mode. This load detection system has simple structure,low cost,easy installation,reliable performance,simple measurement circuit and good anti-jamming. The system can be used for traffic data collection and portable measurement,and has good application prospects.
Keywords： vehicle load detection; differential capacitance sensor； STC89LE516AD chip; wireless communication
0 引 言
隨著公路運輸業(yè)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展，車輛載荷檢測技術(shù)已成為測量領(lǐng)域研究的重點。目前比較常用的車輛動態(tài)載荷檢測傳感器主要有彎板、壓電軸、單傳感器、車載電容傳感器及光纖傳感器［1-4］。這些載荷檢測傳感器多適用于固定式安裝，對路面情況要求較高，即使一些便攜式車輛載荷檢測傳感器也因為重量過重、體積過大的缺點無法真正實現(xiàn)便攜測量。同時，一些傳感器測量技術(shù)過于復(fù)雜，傳感器價格過于昂貴。因此，為了減小安裝和維護(hù)成本，提高車輛動態(tài)載荷檢測系統(tǒng)的便攜性，本文提出了一種電容式車輛載荷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)中載荷檢測傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，大大提高了測量的靈敏度和非線性，電容測量線路采用差動脈沖寬度調(diào)制集成測量電路，數(shù)據(jù)的采集和處理采用自帶A/D轉(zhuǎn)換器的STC89LE516AD單片機(jī)芯片，數(shù)據(jù)通信采用無線通信模式。這種載荷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，安裝方便，差動式電容載荷傳感器抗干擾能力強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)好、測量范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性能好。
1 差動式電容車輛載荷檢測系統(tǒng)
差動式電容車輛載荷檢測系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 差動式電容車輛載荷檢測系統(tǒng)組成框圖
車輛載荷檢測裝置為便攜式，使用時鋪設(shè)在路面上。手持裝置為測量系統(tǒng)控制單元，通過無線通信方式對檢測裝置發(fā)出指令和接收數(shù)據(jù)。載荷檢測傳感器采用差動式電容載荷傳感器［5］，傳感器將載荷的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓?。電容測量電路采用獨特的差動脈沖寬度調(diào)制集成電路，將來自于差動式電容載荷傳感器的極其微弱的電容信號采集出來，并轉(zhuǎn)化成易于檢測的電壓信號。數(shù)據(jù)處理模塊采用內(nèi)部自帶8路8位A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入型STC89LE516AD單片機(jī)芯片。數(shù)據(jù)處理模塊對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，之后，將處理后的載荷結(jié)果輸出。為了減少線路鋪設(shè)的麻煩，增加工作人員的安全性，檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用無線通信裝置。
2 差動式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理
差動式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。它主要由測量頭、外殼、敏感元件(彈性體)、定極柱、動極柱、電極、等位環(huán)、引出線等構(gòu)成。其特點為：測量范圍寬；靈敏度高，便于拾取信號；極板間不接觸、不變形、不磨損，機(jī)械損失小、壽命長；電容傳感器受溫度影響??；動態(tài)性能好；結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境和場合。
圖2 差動式電容載荷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
傳感器的測量頭和殼體為間隙配合，兩者之間可相對滑動，并有定位螺釘定位測量頭的初始位置，定位螺釘同時也起到測量頭滑動時的定向作用，還可使施力物體保持相對穩(wěn)定。測量頭由敏感元件(彈性體)支撐，它受外力作用后把該力傳給敏感元件。敏感元件(彈性體)位于測量頭和殼體之間，起感受外力并按一定關(guān)系轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移量的作用。動、定極柱為中空圓柱型，其表面鍍有電極。動極柱與測量頭粘接為一體，隨測量頭一起滑動。定極柱與殼體粘接為一體，相對固定不動。在動、定極柱電極的兩端均設(shè)有等位環(huán)，以減小電容邊緣效應(yīng)，提高測量精度。
當(dāng)差動式電容載荷傳感器受外力F作用時，測量頭把該力傳給敏感元件，敏感元件是彈性系數(shù)為k的彈性體，在該力作用下發(fā)生彈性變形，其變形量d與作用的外力成正比。敏感元件的變形使得測量頭以及動極柱上的電極移動同樣的距離d。此時，差動電容載荷傳感器的電容值將產(chǎn)生相應(yīng)的變化，其變化量為Δc，測量頭移動的距離d與傳感器輸出電容的變化量Δc成正比。由此可知，被測物體所受外力F與差動式電容載荷傳感器的輸出電容變化量Δc成正比，即：F=kL2c0Δc(式中，k為敏感元件的彈性系數(shù);L為動極柱與定極柱初始覆蓋部分長度;c0為單個電容電極間的初始電容)。只要由測量電路檢測出電容的變化量Δc，就可知物體所受的外力F。
3 電容測量電路
差動式電容載荷傳感器是將被測載荷的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化輸出，而電容傳感器所產(chǎn)生的電容量很微小，電容極板引線與地之間產(chǎn)生的雜散電容往往大于被測電容。因此小電容轉(zhuǎn)換測量技術(shù)一直被人們所重視。然而，一般的檢測電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，精確度較低，不能滿足測量要求。為了提高測量的靈敏度，針對差動式電容載荷傳感器，在基于四相檢測技術(shù)的電荷轉(zhuǎn)移式電容檢測電路［6］的基礎(chǔ)上，設(shè)計采用了差動脈沖寬度調(diào)制集成測量電路［7］，該電路具有集成度高、實現(xiàn)了電容傳感器頭有源化、輸出脈沖方波、省去高頻激勵信號源、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高等特點，尤其適合差動式電容傳感器的測量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，圖中的虛線框內(nèi)為差動式電容傳感器的兩個可變電容C1和C2。
圖3 差動脈沖寬度調(diào)制集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
工作原理如下:設(shè)直流電源接通時，Q端為高電平，Q端為低電平，則信號控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)1向電容C1充電，C1上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號處理單元使Q端立即變?yōu)榈碗娖剑鳴端為高電平；此時，電容C1上的電壓經(jīng)充放電網(wǎng)絡(luò)1迅速放電至零，同時信號控制單元使充放電網(wǎng)絡(luò)2向電容C2充電，C2上電壓漸升，一旦達(dá)到電路控制電平值，信號處理單元再次使Q端為高電平，Q端為低電平；于是又開始下一周期的C1充電C2放電，……，如此周而復(fù)始，在差動脈沖寬度調(diào)制集成電路的輸出端各產(chǎn)生一串其寬度受C1和C2電容變化量控制的矩形方波。當(dāng)C1=C2時，Q和Q端電壓波形反相對稱，從Q端與Q端取出的兩個平均值電壓之差將等于零。當(dāng)被檢測的載荷使電容C1>C2時，兩輸出端的電壓平均值之差為：V0=ΔddV1 (其中V1為充電網(wǎng)絡(luò)輸入的電壓值)，可獲得較好的線性度。
4 數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)據(jù)的采集與處理單元采用自帶A/D轉(zhuǎn)換器的STC89LE516AD單片機(jī)芯片，完成數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及驅(qū)動顯示單元。當(dāng)時鐘在40 MHz以下時，每17個機(jī)器周期可完成一次A/D轉(zhuǎn)換。STC89LE516AD單片機(jī)與差動脈沖寬度調(diào)制集成電路結(jié)合起來，完成電容傳感器的檢測。其主程序和A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4,圖5所示。
圖4 STC89LE516AD芯片主程序
圖5 A/D轉(zhuǎn)換子程序
5 數(shù)據(jù)通信
數(shù)據(jù)的傳輸采用無線通信模塊。利用nRF401無線收發(fā)芯片和控制單片機(jī)89C52實現(xiàn)差動式電容車輛載荷檢測系統(tǒng)中的無線通信，具有硬件電路簡單、成本低廉、編程簡便、通信可靠性高等優(yōu)點［8］。無線通信技術(shù)在車輛載荷檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，使執(zhí)法人員可以方便地通過手持儀器對公路車輛進(jìn)行不停車載荷檢測，大大提高了工作效率。
無線通信裝置包括載荷檢測裝置和手持裝置兩部分。載荷檢測裝置接收手持裝置的指令，向手持裝置輸送載荷結(jié)果，必要時向手持裝置輸送車輛類型、車牌號數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差校正；手持裝置中超聲波信號發(fā)射和數(shù)據(jù)接收裝置向載荷檢測裝置發(fā)出指令，接收來自載荷檢測裝置的數(shù)據(jù)；單片機(jī)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后送給顯示裝置，并可以與PC機(jī)建立數(shù)據(jù)聯(lián)系；PC機(jī)形成局域網(wǎng)后，可以完成信息收集、顯示、查詢、檢索以及數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計、處理、存儲等多項工作。
從圖1中可以看出，載荷檢測裝置對車輛的載荷進(jìn)行檢測和處理，從單片機(jī)按照控制命令接收車輛的載荷檢測裝置的數(shù)據(jù)，與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖6為從單片機(jī)構(gòu)成的顯示及收發(fā)控制系統(tǒng)的硬件組成框圖，主要包括采集與數(shù)據(jù)處理模塊、看門狗、復(fù)位電路、電源監(jiān)控電路、實時時鐘電路、無線收發(fā)模塊、控制單片機(jī)、信息輸出單元等部分?？刂茊纹瑱C(jī)選用Atmel公司的89C52。
圖6 從機(jī)顯示及收發(fā)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
圖1中的手持儀器為主機(jī)，主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，由控制單片機(jī)、顯示電路、看門狗、復(fù)位電路、電源監(jiān)控電路、實時時鐘電路、按鍵、無線收發(fā)模塊，以及串行通信電路組成。
圖7 主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖
當(dāng)?shù)缆饭芾砣藛T按動手持儀器的控制按鍵，要求讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)接到命令后，向從機(jī)發(fā)送命令，通過無線收發(fā)模塊接收從機(jī)載荷數(shù)據(jù)，然后在手持儀器的顯示屏幕上顯示載荷信息和車輛有關(guān)信息，并且可以根據(jù)需要通過串口通信上傳至道路管理部門的計算機(jī)。與從機(jī)相比，主機(jī)多了一個用來與計算機(jī)通信的串行口。此串口采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)，可用MAX232芯片實現(xiàn)。
6 結(jié) 論
基于差動式電容傳感器的車輛載荷檢測系統(tǒng)，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、測量電路簡單、抗干擾性好、體積小、性價比高等特點。實際的試驗測試結(jié)果表明，該車輛載荷檢測系統(tǒng)對車輛進(jìn)行動態(tài)載荷檢測，車輛總載荷的測量誤差在10%以內(nèi)，其精度優(yōu)于ASTM E131-02給出的Ⅰ類WIM(Weigh-in-Motion)系統(tǒng)精度 (置信95%時總重誤差±10% ) ，可用于交通數(shù)據(jù)采集，尤其適合公路稽查人員進(jìn)行便攜式測量，具有良好的使用前景。
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電容式傳感器范文第3篇
聲波是聲音的傳播形式。物體振動在空氣中或在其他介質(zhì)中的傳播叫做聲波。聲波借助各種介質(zhì)可以向四面八方傳播。聲波是一種縱波，它是彈性介質(zhì)中傳播著的壓力振動。但是在固體中傳播時，它也可以同時有縱波和橫波。
聲波可以理解為介質(zhì)在偏離平衡態(tài)時的小擾動的傳播。在這個傳播過程中只有能量的傳遞，而不會發(fā)生質(zhì)量的傳遞。如果擾動量比較小，那么聲波的傳遞過程滿足經(jīng)典的波動方程，是線性波。如果擾動很大，那么聲波的傳遞就不再滿足線性的聲波方程，會出現(xiàn)波的色散和激波。在本課題中，我們的研究對象是小擾動的傳播，即滿足經(jīng)典波動方程的線性波。
2 聲學(xué)傳感器
聲學(xué)傳感器是一個可以接收聲波并且能夠把聲信號轉(zhuǎn)換成電測儀器能夠識別的電信號的裝置，從而使得不易被測量的聲學(xué)量能夠很容易被測出，也使得聲波被人們更為廣泛的研究和利用。
聲學(xué)傳感器的原理就是聲電轉(zhuǎn)換，即把不易測量的聲音信號轉(zhuǎn)換成為容易被電測儀器測出的電信號。目前應(yīng)用最多的聲學(xué)傳感器主要有動圈式、壓電陶瓷式和電容式三大類，其他類型的，如果細(xì)分的話，也都屬于這三大類之中。下面一節(jié)中，會具體介紹這三種聲學(xué)傳感器的原理，在此不再贅述。
3 聲學(xué)傳感器的前置放大電路
聲學(xué)傳感器的前置放大電路，是一種專門為聲學(xué)傳感器的輸出信號而設(shè)計的放大設(shè)備。通常，人們習(xí)慣將聲學(xué)傳感器的前置放大電路直接簡稱為“前置放大器”，專門用來處理電平較低、音質(zhì)比較脆弱的聲學(xué)傳感器的輸出信號。
由于聲學(xué)傳感器可以分為動圈式、壓電陶瓷式、電容式等多種不同類型，且其輸出的信號在電平和阻抗水平上也有很大的差別，因此，前置放大器在設(shè)計上也有很多種不同的造型和尺寸。我們在選擇前置放大器時，除了要鑒別音質(zhì)水平之外，還應(yīng)該特別注意其在多種不同的應(yīng)用條件下對信號一致性的保持能力。
市場上可以見到的前置放大器有很多，它們大致可以分為兩類，一類是電子管前置放大器，另一類是晶體管前置放大器。由于數(shù)字音頻信號是離散的信號，與連續(xù)的模擬音頻信號相比，聲音聽起來有一些硬，電子管的特性就是可以呈現(xiàn)出溫暖的音色，所以近年來選用電子管前置放大器的用戶逐漸多起來，電子管前置放大器會使原來聽起來比較生硬的數(shù)字聲音變得溫暖許多。當(dāng)然，電子管前置放大器呈現(xiàn)的溫暖音色特性不一定適合對所有聲音的加工，要根據(jù)聲音特點的不同或者個人的喜好來選擇是否用電子管前置放大器。
4 三種聲學(xué)傳感器的原理
4.1 動圈式聲學(xué)傳感器的原理
電磁感應(yīng)現(xiàn)象：閉合電路中的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，在電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，我們把這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流就叫做感應(yīng)電流。
動圈式聲學(xué)傳感器就是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的。如圖1所示，當(dāng)聲波使最右邊的膜片振動時，連接在膜片上面的線圈會隨著膜片一起振動，而音圈的振動又是發(fā)生在永久磁鐵的磁場里，其中就產(chǎn)生了感應(yīng)電流，也就把聲音信號轉(zhuǎn)換成了電信號。其中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小和方向都在變化，變化的頻率由聲波振動的頻率決定，變化的振幅由聲波的振幅決定。
4.2 壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器的原理
壓電效應(yīng)是指一些電解質(zhì)在受到某一個方向的外力作用發(fā)生形變時，由于內(nèi)部電荷有極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生出電荷的現(xiàn)象。
由于有壓電效應(yīng)，壓電陶瓷能夠直接將非電量轉(zhuǎn)換為電量，同時，壓電陶瓷的壓電常數(shù)可以通過調(diào)整配方組成或者改變陶瓷片組合的方式而得到大幅度的提高，從而可有效的提高它的靈敏度。
壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器就是利用壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)，把應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電壓輸出的裝置，如圖2所示。壓電陶瓷片是其中關(guān)鍵的部件，從信號變換角度看，這里壓電陶瓷片相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器。
壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器是由把外力傳遞給壓電陶瓷的力學(xué)系統(tǒng)、壓電陶瓷片以及將電荷傳遞給測量儀表的測量電路三個部分組成。其中，力學(xué)系統(tǒng)是用來安裝和固定壓電陶瓷的支架部分，由該部分直接和外界接觸，當(dāng)受到外力的作用時，支架和壓電陶瓷一起發(fā)生形變。壓電陶瓷由形變產(chǎn)生電荷輸出，然后測量線路會把電荷變換為電壓輸出。
壓電陶瓷式聲學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、功耗小、壽命長，尤其是它具有很好的動態(tài)特性，因此非常適合有很寬頻帶的周期性作用力以及高速變化的沖擊力。
4.3 電容式聲學(xué)傳感器的原理
電容式聲學(xué)傳感器是將被測的非電學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。
電容式傳感器是把被測量的機(jī)械量，例如位移、壓力等轉(zhuǎn)化為電容量變化的傳感器。它的敏感部分是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行的電極組成、極板間以空氣為介質(zhì)的電容器。若忽略電容器的邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為εS/d，式中的ε是極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S是兩個極板互相覆蓋的有效面積，d是兩個極板之間的距離。d、S、ε三個參數(shù)中任意一個發(fā)生變化都會引起電容量的變化。因此電容式傳感器可以分為極距變化型、介質(zhì)變化型和面積變化型三類。其中，極距變化型電容式傳感器通常用于測量微小的線位移或者由于力、壓力、振動等引起的極距變化。介質(zhì)變化型一般用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測量。面積變化型電容式傳感器常用于測定角位移或者比較大的線位移。
電容式傳感器范文第4篇
【關(guān)鍵詞】油位檢測；電容傳感器；超聲波傳感器
0 引言
飛機(jī)燃油油量測量系統(tǒng)的、可靠性、精確度、靈敏度、維護(hù)性對整體飛機(jī)性能而言有著舉足輕重的作用。其中，飛機(jī)燃油油位的測量是飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)中很重要的一部分。據(jù)統(tǒng)計，燃油測量精度每提高1%，可以多載重200公斤。因此，提高飛機(jī)燃油油位測量的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步提高油量的檢測精確度，就成為了飛機(jī)燃油系統(tǒng)研究工作的重要方向。
本文根據(jù)將主要討論常見的幾種測量方法，并分析其原理，包括浮子電阻式、電容式以及超聲波式等。最后，比較其優(yōu)缺點，并探究適用于我國飛機(jī)燃油油位測量的有效方法，以及油位檢測方法的發(fā)展趨勢。
1 浮子電阻式油位測量方法
浮子電阻式油位測量方法通過安裝在油箱內(nèi)的浮子傳感器，感受油箱中油面高度來測得飛機(jī)載油量。浮子傳感器由可變電阻和浮子組成，當(dāng)油面高度變化時，可變電阻值隨之改變，這樣，就將油面高度變化的非電量變化轉(zhuǎn)換成電量變化，輸入儀表線路，從而測得油箱中的油量，其原理簡圖如下圖1所示。測量總油量時，傳感器則需要使用多個，對稱式電橋的一個橋臂由所有傳感器內(nèi)的電位器互相串聯(lián)而成。
該測量方法存在以下問題：測量范圍小，指示誤差大，傳感器極易損壞，體積大，安裝調(diào)試不方便等。
2 電容式油位測量方法
電容式油位測量方法是現(xiàn)代航空領(lǐng)域最常用的方法，其基本原理是空氣與燃油存在介電常數(shù)特性方面存在差值。將兩個同心電極管垂直或接近垂直地安排在燃油箱內(nèi)構(gòu)成電容時，就利用了這一現(xiàn)象，如圖2所示。
在真空狀態(tài)下，圓柱形傳感器的理論電容值由下述公式給出：
式中ε0為介電常數(shù)，H為傳感器高度，r1為傳感器內(nèi)管的外半徑，r2為傳感器內(nèi)管的內(nèi)半徑。如圖3所示，當(dāng)燃油介質(zhì)的液面在電容式傳感的兩同心圓筒之間變化時，引起極板間介質(zhì)的高度變化，因而導(dǎo)致電容變化，傳感器的電容量如下式計算：
式中C為總電容，C1為氣體部分電容，C2為燃油部分電容，ε0為空氣介電常數(shù)，ε1為燃油介電常數(shù)。由上式可以看出總電容量與燃油液面高度呈線性關(guān)系，由于油箱曲線是已知的，所以測得燃油介質(zhì)的液面高度，及可得到電容傳感器的電容量，進(jìn)而得到燃油箱內(nèi)的剩余油量。該測量方法主要問題是由于電容整體要浸入燃油內(nèi)，所以因為其體積的原因，影響了原始液面的高度。
3 超聲波式油位測量方法
超聲波測量依賴于聲波能夠在液體中傳播并在該液體的界面處發(fā)生反射這一聲學(xué)現(xiàn)象。測量中的關(guān)鍵在于聲波在燃油中的傳播速度與燃油的溫度成反比，并且燃油類型不同而不同。超聲波測量系統(tǒng)的基本原理為：
1）聲波通過燃油時的傳播速度可由聲速計進(jìn)行測量；
2）聲音從發(fā)射換能器通過燃油向上傳播到燃油界面，然后向下傳播返回接收換能器的往返時間，可用傳感器測量。
3.1 超聲波傳感器的工作原理
超聲波液位測量，是基于超聲波在聲阻抗率不同的媒介分界面上產(chǎn)生反射的特性。由超聲波換能器發(fā)出的超聲波在液體與氣體的分界面發(fā)生反射，產(chǎn)生回波被換能器接接收，依據(jù)換能器發(fā)射超聲波到再次接收到超聲波所歷經(jīng)的時間可測出液位。超聲傳感器相對于電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、測量穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。如圖4所示，為超聲波聲速計和超聲波傳感器的工作原理圖，此處聲速計利用一固定目標(biāo)體起到一個聲速校準(zhǔn)的作用，而傳感器則用于測量油箱內(nèi)的燃油高度。
圖5給出的時間曲線，表明采用這種布局如何可以獲得燃油油面高度，參數(shù)定義如下：
TT為目標(biāo)體的往返時間，TS為至油面的往返時間，D為至目標(biāo)體的已知距離，L為至油面的未知距離。
通過下列公式，可由聲速計導(dǎo)出燃油內(nèi)的聲速VOS，即：
VOS=2D/TT
同樣，如下公式可以確定至油面的未知距離L，即：
L=VOS?（TS/2）
由上面兩個公式，我們可以得到油面高度，即：
L=D（TS/TT）
超聲波燃油測量方法主要存在的問題是這種技術(shù)不能通過測量無油空間的超聲波的往返時間，聲波在介質(zhì)中傳播會發(fā)生衰減，飛機(jī)處于爬升姿態(tài)時會產(chǎn)生氣泡，影響測量。
3.2 超聲波傳感器的設(shè)計
如圖6所示，超聲波傳感器由下端的換能器組件構(gòu)成，并附帶一個垂直固定在其上的穩(wěn)定筒，傳感器可由金屬或者復(fù)合材料構(gòu)成。對于某個給定位置，傳感器的整個長度與等效的電容式傳感器相同，除非留出必要的安裝間隙。
換能器組件帶有壓電陶瓷盤器件，起到收發(fā)器的作用，產(chǎn)生并接收超聲波。換能器組件由共振盤和電阻放電網(wǎng)組成，后者直接安裝在此盤上，以便安全地消散由于溫度或機(jī)械沖擊、機(jī)械迷宮或者氣泡等累積的任何非正常能量。
穩(wěn)定筒的用途是準(zhǔn)直換能器所發(fā)生和接收的聲波，并提供一個進(jìn)行測量的“受保護(hù)區(qū)”。穩(wěn)定筒保護(hù)測量，避免出現(xiàn)不利現(xiàn)象，例如燃油晃動或大個氣泡。穩(wěn)定筒和換能器組件的設(shè)計必須使燃油可方便地進(jìn)入穩(wěn)定筒，以使得油位跟隨穩(wěn)定筒外面的燃油，但防止在使用中可能產(chǎn)生的湍流引起的大個氣泡進(jìn)入。在換能器組件內(nèi)納入迷宮式隔聲板，可達(dá)到此目的。最后，下部安裝支架應(yīng)固定到防氣泡罩上，上部可移動以及阻尼器，位于定位筒上。
4 結(jié)論
根據(jù)以上對各個檢測方法的研究和分析，結(jié)合國內(nèi)油位傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，未來的商用飛機(jī)應(yīng)當(dāng)采用電容式油位測量方法較為妥當(dāng)。
國外的技術(shù)領(lǐng)先國內(nèi)至少20年，在積極推進(jìn)油位檢測的發(fā)展方面，B777客機(jī)和F-22猛禽戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)使用了超聲波式油位測量方法，并取得了一定的成功。然而，我們可以看到，在最新的機(jī)型，例如波音B787夢想飛機(jī)和空客A380，以及新的超寬體機(jī)A350中全部將電容式測量作為燃油油位測量的首選技術(shù)。
究其原因，一是超聲波技術(shù)的優(yōu)勢尚未得到充分的體現(xiàn)，二是燃油測量需要極高的可靠性，因為必須進(jìn)入燃油箱進(jìn)行維護(hù)，成本很高，三是電容式油位測量技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用多年，業(yè)界一直以其為基礎(chǔ)來制造整個燃油測量系統(tǒng)。因此，對于新技術(shù)的應(yīng)用，一直處于保守狀態(tài)，難以取代陳舊的電容式測量法，盡管其存在電纜束連通性和水污染有關(guān)的使用問題。
對于未來油位檢測技術(shù)的發(fā)展，按作者的觀點，超聲波式油位測量法會被廣泛應(yīng)用，因為技術(shù)總是會有反復(fù)推進(jìn)的過程，等待技術(shù)成熟后，相信非接觸式的超聲波會以其明顯的優(yōu)勢占據(jù)一席之地。未來最具發(fā)展前景的技術(shù)將是使用光和微機(jī)電技術(shù)（MEMS）的一種組合，MEMS裝置可能會設(shè)計成通過光纖受光激勵時，測量壓力、溫度、密度和加速度等傳感器。因為MEMS傳感器尺寸小，適合于埋置在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此這是能可靠的在不利環(huán)境下工作的，并滿足當(dāng)前嚴(yán)格條例要求的理想后續(xù)技術(shù)。
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電容式傳感器范文第5篇
關(guān)鍵詞：加速度 差容式 力平衡 傳感器
加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器。它是工業(yè)、國防等許多領(lǐng)域中進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電容器的電容量變化。實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，它優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，能實現(xiàn)無接觸式測量，靈敏度好，分辨率強(qiáng)，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(dá)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(yīng)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(jī)械部分緊靠電路板，把加速度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜虚g極的位移變化，后續(xù)電路通過對位移的檢測，輸出一個對應(yīng)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(zhì)，兩個平行金屬板組成的平行板電容器，當(dāng)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(shù)，如果將上極板固定，下極板與被測運動物體相連，當(dāng)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(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等電信號輸出根據(jù)輸出信號的大小，即可測定物移的大小，若把這種變化應(yīng)用到電容式差容式力平衡傳感器中，當(dāng)有加速度信號時，就會引起電容變化 C，然后轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，根據(jù)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(guān)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(nèi)變化，而是限制在一個較小的 范圍內(nèi)，以使 與 C的關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，大都采用差動式結(jié)構(gòu)，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(huán)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(jié)構(gòu)
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(fù)電壓調(diào)節(jié)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(jī)械結(jié)構(gòu)原理
由于差動式電容，在變間隙應(yīng)用中的靈敏度和線性度得到很大改善，所以得到廣泛應(yīng)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(yīng)線圈，彈簧片，作電容中間極的質(zhì)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(zhì)量塊，并在此質(zhì)量塊上、下兩側(cè)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(zhì)量塊的上側(cè)面形成電容C1，下底板與質(zhì)量塊下側(cè)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(nèi)振動。由相應(yīng)芯片輸出的方波信號，經(jīng)過零比較后輸出方波，此方波經(jīng)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(jīng)一次反向后的對稱波形加到另一個極板上。
當(dāng)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(xù)電路沒有輸出；當(dāng)有加速度信號時，中間極板（質(zhì)量塊）將偏離中間位置，產(chǎn)生微小位移，傳感器的固定部分也將有微小的位移，設(shè)加速度為正時，質(zhì)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)。由于OP270的腳1和16分別與線圈兩端相連，當(dāng)有電流流過線圈時，將產(chǎn)生感應(yīng)磁場，就會有電磁力產(chǎn)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?jīng)]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(chǎn)生加速度時的位移的相反的方向運動，即相當(dāng)于在C的放大電路中引入了負(fù)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(yīng)一個合適的位置，此時后續(xù)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(yīng)用
哈爾濱北奧振動技術(shù)是專門從事振動信號測量的專業(yè)公司，它們應(yīng)用這種差容式力平衡原理開發(fā)出的力平衡加速度傳感器實現(xiàn)的主要性能指標(biāo)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(yōu)于1%
噪聲：小于10μV
動態(tài)范圍：大于120dB
溫漂：小于0.01%g/g
電源：±12V-±15V
