時間：2023-03-01 16:30:58
序論：在您撰寫電容式傳感器時，參考他人的優秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
關鍵詞：電容；極板；電介質
中圖分類號：TP212.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01
在高度發達的現代社會中，科學技術的突飛猛進和生產過程的高度自動化已成為社會發展的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在強大的信息工業基礎上。人們只有從外界獲取大量準確、可靠的信息，再經過一系列的科學分析、處理、加工，才能認識和掌握自然界中的各種現象及其相關發展變化規律，進而促成科學技術的發展?，F代信息技術的三大基礎是信息采集，信息傳輸和信息處理，而信息采集用到的便是傳感器技術。傳感器是信息采集系統的首要部件，是實現現代化測量和自動控制的主要環節。
傳感器，Transducer or Sensor，是一種能感受被測量并按一定的規律轉換成有用（與之有對應關系的且易于處理和控制）輸出信號的器件或裝置，它由三部分組成：敏感元件、轉換元件和測量電路。傳感器的分類方式有多種，其中按照工作原理分類，可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱敏式傳感器。而這里要論述的是電容式傳感器。
電容式傳感器是一種把非電物理量轉換成與之有確定對應關系的電容量，再通過測量電路轉換成電壓（或電流）信號的一種裝置。它在非電量檢測中應用十分廣泛。
電容式傳感器具有溫度穩定性好、結構簡單、動態響應好、可實現非接觸測量等優點；但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點也給它的應用帶來了一定的局限性。隨著材料、工藝、電子集成技術的發展，使電容式傳感器的優點得到了發揚，而缺點也在不斷的克服中，電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。
一、電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器實質是一種有可變參數的平行板電容器。平行板電容器是由兩塊相距很近的平行金屬板，中間夾上一層絕緣物質構成。其中這兩塊金屬板稱為電容器的極板，絕緣物質稱為電介質。電容器的電容量與兩極板間介質的介電常數、兩極板的相對覆蓋面積，兩極板間距離有關。這三個參數的改變均使電容C發生變化。因此可以固定其中兩個參數不變，而使另外一個參數改變。如果變化的參數與被測量之間存在一定的函數關系，那被測量的變化就可以直接由電容的變化反映出來。由此，可以把電容式傳感器分為三種類型：
1.變面積式電容傳感器――兩極板的相對覆蓋面積變化，介電常數、極板間距離不變。
2.變極距式電容傳感器――極板間距離變化，介電常數、極板的相對覆蓋面積不變。
3.變介電常數式電容傳感器――介電常數變化，極板的相對覆蓋面積、極板間距離不變。
二、電容式傳感器的測量電路
電容式傳感器的測量電路主要是把電容轉換為電壓（或電流）輸出，常用的測量電路有：普通交流電橋、緊耦合電感臂電橋、變壓器電橋、雙T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調制電路、調頻電路。
三、電容式傳感器在應用中應注意的問題
（一）溫度的影響
物質有熱脹冷縮的特性，電容器也不例外，當環境溫度改變時，電容式傳感器的各部件的幾何尺寸和相對位置將發生變化，由于電容器因為極板間距很小而對結構尺寸的變化特別敏感。此外電介質的介電常數也會因為溫度的變化而發生改變。而要減小溫度對測量結果的影響，可采取以下方式：
（1）在設計電容式傳感器時，選擇合理的極板間距。
（2）在制造電容式傳感器時，選用溫度膨脹系數小，幾何尺寸穩定的材料及電介質。
（3）測量電路采用差動對稱結構。
（二）電容電場的邊緣效應
所謂電容電場的邊緣效應指的是在極板的邊緣附近，電場分布是不均勻的，這就相當于傳感器并聯了一個附加電容，導致傳感器的靈敏度下降和非線性增加。為了減小邊緣效應對測量結果的影響，可采取以下措施：
（1）在制造電容器時，選擇合理的初始電容量。
（2）加裝等位環。具體做法為：在極板A的同一平面內，加一個同心環面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。使用時必須保持A和G等電位，故而稱G為等位環。這樣可使極板邊緣處的電場接近勻強電場了。
（三）寄生電容的影響
任何兩個彼此絕緣的導體均可構成電容器。電容式傳感器除了兩個極板間的電容外，還可以與周圍導體產生電容聯系。這種電容稱為寄生電容。有些電容式傳感器本身電容很小，那么寄生電容就會使傳感器電容量發生明顯改變。而且寄生電容極不穩定，從而導致傳感器特性的不穩定，對傳感器產生嚴重干擾。
為了克服寄生電容的影響，必須對傳感器進行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼內，并將殼體良好接地。同時，電極引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外套也要良好接地。
四、電容式傳感器應用舉例
（一）電容式接近開關
測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制開關的接通和關斷，接近開關的檢測物體，并不限于是金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。
（二）電容式鍵盤
常用的鍵盤有兩種：機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產生電容量的改變，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關是無觸點非接觸式的，磨損率小。
（三）電容式指紋傳感器
電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進行信息采集的。當指紋中的凸起部分置于傳感器電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容來進行數據采集。
（四）電容式聽診器
醫學上常用的電容式聽診器是一種單電容式壓力傳感器，一個極板在聽診器的內部，另一極板為聽診器的膜片。當繃緊的膜片受聲壓作用，極板間距發生變化，從而使電容器的電容發生變化，電容的變化與聲壓的大小在一定范圍內呈線性關系。
參考文獻：
關鍵詞：電容；傳感器；轉換；測量
在生產科研活動中，經常要對溫度、壓力等非電量進行測量，使得現代傳感器技術有了飛速的發展。電容式傳感器的檢測元件可將被測非電量變換為電容量，然后通過對電容值的測量得到相應的非電量的值。由此可見對電容值進行測量是有實際意義的。在數字化測量技術中，為實現對電容所測值進行數字顯示，通常是將被測電容Cx先轉換成與其成正比的直流電壓信號（稱C/U轉換）或時間信號（稱C/t轉換）。這里介紹一些具體的轉換方法，并詳細討論一個典型的C/U轉換電路。
1、測量電容的幾種轉換方法
⑴ 充電法測電容
圖1是這種方法的原理圖。集成運放反向輸入端所加的基準電壓Ur經電阻R對被測電容Cx進行充電，當輸出電壓Uo達到預先設定的額定值時就停止充電。在Ur和R為定值的情況下，顯然充電時間t的長短與Cx成正比。由圖1可寫出其關系式：
只要測出時間t的大小，就可得知Cx的值。利用這種C/t的轉換方法測電容，其可測范圍為10μf-999.9μf。
⑵ 充放電法測電容
圖2是這種方法的原理圖之一，它由窗口比較器對電容的充放電進行控制?；鶞蔝r先對Cx進行充電，當兩端電壓達到額定值時就對地放電，當電容兩端電壓降低到一個額定值時再次充電。Cx如此反復的充放電，就形成一個周期為T的震蕩電壓波形，T值與Cx成正比，因此通過測量時間T的大小就可得知Cx的值。這種通過C/t轉換測量電容若配上單片機電容量的分辯率可達（0.5-1）×10-3乘以電容滿度值，可測范圍為0-200μF。
和上述方法相似的另一種測量方式是稱為換向式的測量法，它也是先充電后放電，但放電到-Ur為止通過測量放電的持續時間Td得知Cx的大小，這種方法的優點是對充電電源及放大器參數要求不嚴格，測量誤差小，分辨力可達0.1pF，能滿足電容傳感器的要求。
⑶ 脈寬調制法測電容
圖3是這種方法的原理圖。它是在如圖所示的單穩態觸發器的觸發端輸入一個脈寬為tw，周期為T的矩形波，在閾值為TH加被測電容Cx。通過Cx充放電在輸出端得到一個周期仍為T，但脈寬tw即占空比q=tw/T隨Cx成比例變化的矩形波（所以稱為脈寬調制）。如果能設法測出tw的值，則Cx也可得，這顯然也屬于用C/t轉換法測電容。由于q隨C/x改變是輸出的矩形波電壓平均值Uo值隨之而變，即表明Cx與Uo成正比，所以只要能Uo并測出它的數值，就可以得出Cx的值，顯然這屬于通過C/U轉換測電容。脈寬調制法測電容的范圍為0-20μF，最高分辨別率為1μF，它的缺點是測量前都要手動調零，從而延長了測量時間。
⑷ 容抗法測電容
圖4是這種方法的原理電路圖。運放處于線性工作，Ui是幅度及頻率fo均恒定的正弦測試信號。電容中通過正弦交流信號時，其容抗為Xc=1/（2πfoCx），當fo恒定時，Xc與Cx成反比。
2、按容抗法實現的C/U轉換電路的設計與分析
根據容抗法測量原理，為實現C/U轉換，必須有正弦信號發生器，C/ACU轉換電路，AC/DC轉換電路，濾波器及輔助電路等。
由集成運放N1，電阻R1-R5和C1-C2組成RC橋式振蕩器，其中C1R1和C2R2組成RC串并聯網絡，R3R4R5組成負反饋網絡，通過調整R3R4R5 的值使略大于3滿足起振的條件，即R4+R5>2R3。運放N2是一級反向輸入的緩沖放大器，其電壓增益為A = -（R7+RP1）/R6其中RP1為校準電位器，調節RP1可改變N2的電壓增益。由運放N3、電阻RS和電容Cx組成測量電容的主電路，其功能是實現C/ACU的轉換。由運放N4、電阻R9- R11和電容C3- C4組成二階有源帶通濾波器，其中心頻率fo = 400HZ因此有源帶通濾波器只允許400HZ信號通過，這樣就得到一個純正的400HZ的正弦波。由集成運放N5、二極管VD3-VD5電阻R13- R16和，電位器RP2和電容C5- C8組成精密整流電路，電路中的R12是N5的同向端輸入電阻，R13、 R14為負反饋電阻可將N5偏置在線性放大區并控制運放的增益。
3、電容式傳感器的應用
電容式傳感器的檢測元件將被測非電量變換為電容量變化后，用測量線路（C/U轉換電路）把電容容量的變化變換為電壓，再通過電壓與電容的關系得出非電量的值?？蓱迷跍y氣體的濃度、油箱油量、導電液體液位等等。
這種電容式轉換電路具有線性度好、準確度高、電路簡單、成本小、功耗低等特點可應用于一些小型、便攜式裝置中。例如數字萬用表就是利用容抗法實現C/U轉換輸出平均值電壓再配以高分辯率的液晶A/D轉換器把模擬量轉換成數字量來測量電容的。
參考文獻：
[1]沙占友等.數字萬用表應用技巧 .北京：國防工業出版社，1997
關鍵詞：電容式傳感器 應用 研究
1、電容式傳感器的結構特點
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?；某商自O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：
高職院校民族傳統體育文化傳播的創新研究（GDGZ12Y084）
因為混合信號ICT藝得到廣泛的采用，這種技術允許芯片設計師優化芯片的模擬和數字子系統，以構建具有前所未有的靈敏度和耐用性的電容式傳感器，而且成本是機械式開關所不能比擬的。
如何工作
電容式傳感器基本上可以分成三類：電場傳感器、基于弛張振蕩器的傳感器以及電荷轉移(QT)器件。電場傳感器通常會產生數百kHz的正弦波，然后將這個信號加在電容一個極板的導電盤上，并檢測另外一個導電盤上的信號電平。當用戶的手機或另外的導體對象接觸到兩個盤的時候，接收器上的信號電平將改變。通過解調和濾波極板上的信號，可能獲得一個直流電壓，這個電壓隨電容的改變而變化；將這個電壓施加在閾值檢測器上，即可以產生觸摸／無觸摸的信號。
弛張振蕩器使用了一個電極盤，其上的電極電容構成了鋸齒波振蕩器中的可變定時單元。通過將恒定電流饋入到電極線，電極上的電壓隨時間線性增加。該電壓提供給比較器一個輸入，而比較器的輸出連接到一個與電極電容并行連接的接地開關上。當電極電容充電到一個預先確定的閾值電壓時，比較器改變狀態，實現開關動作一對定時電容放電，打開開關，這個動作將周期性的重復下去。其結果是，比較器的輸出是脈沖串，其頻率取決于總的定時電容的值。傳感器根據不同的頻率改變來報告觸摸／無觸摸狀態。
QT器件利用了一種稱為電荷保持的物理原理。舉例來說，開關在一個短時間內施加一個電壓到感應電極上對其充電，之后開關斷開，第二個開關再將電極上的電荷釋放到更大的一個采樣電容中。人手指的觸摸增大了電極的電容，導致傳輸到采樣電容上的電荷增加，采樣電容因此改變，據此就能得出檢測結果。
QT器件在突發模式采樣之后即進行數字信號處理，這種方法能提供比競爭方案更高的動態范圍和更低的功耗，而自動校準例程可以補償因為環境條件改變帶來的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過厚的面板時不需要一個參考地連接，因此適合電池供電的設備。Quantum(量研公司)的QT芯片就是采用這種方法。
應用實例
QT芯片出現在一系列具有挑戰性的應用中，如微波爐和爐灶面控制。它在這些應用中必須承受很高的濕度、污染挑戰。而便攜式電子產品也經常面對這種情況，它們所處的環境經常變化，因此QT傳感器也非常適合這種應用。QT傳感器在干擾下的高電阻對于移動設備來說至關重要，因為它們附近經常有很強的輻射源，如：PC、手機等。
因為這個原因，QT芯片越來越多地在便攜式設備中出現。很多領先的亞洲OEM廠商都采用了這種技術，包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如，在JWM一811 0閃存播放器中就采用了QTl080，而Microstar在其Mega Player536 MP3播放器中采用了QTll01。這些芯片可以工作在2．8―5．5V電源電壓下，吸收的電流大約為40 L1 A，專門針對移動電子產品進行了優化，采用了5mm x5mm x 0．8mm QFN封裝，這種封裝是空間有限的手機和遙控設備所必需的。QTl 0 8 0支持8個獨立的按鍵通道，QTll01支持10個通道。兩個芯片都包括鄰近按鍵抑制(AKSTM)功能，可以確保芯片正確地識別手指的位置。這個概念很簡單，通過比較鄰近按鍵的信號電平來確定最大值，這樣就能確定“真正的”手指位置。設計者可以自行選擇是否啟用AKS功能。QTl080利用一個硬件狀態線連接每個輸入通道，而QTll01通過一個串行連接輸出。像所有的QT芯片一樣，這兩種方法都利用擴譜搜索自動校準，使噪聲抑制最大化。
一般可用多輸入通道實現滑動按鍵或旋轉按鍵，而專用的QT系列芯片只用三個分辨率為7位(128點)的通道就能實現高分辨率線性滑動或旋轉界面。例如QT511(該芯片的主要目標應用也是便攜式電子產品)使用三個感應通道來驅動通用電氣公司的一位發明家于1978年設計的電極圖形，可返回一個128點的結果。
其他可能性
很多設計師都利用QT芯片來替代電阻式觸摸屏。因為該方法只需要將單透明層鋪設在屏幕上用于感測，與多層電阻式技術相比，對光線的吸收大大降低。OEM廠家還使用多通道傳感器來實現可編程的不透明觸摸表面，面板的配置由軟件來調配，這能幫助降低材料成本。同樣的辦法還為用戶依據個人喜好配置觸摸屏提供了可能，用戶可從網絡服務器下載規格，或者自己運行一個配置程序。
關鍵詞：電容式傳感器；非線性誤差；位移
引言
電容傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的傳感器，具有結構簡單，動態響應好，靈敏度高，能測量微小變化等優點。廣泛應用于位移、速度、加速度等機械量精密測量。在實現運料車輛尋軌運行至指定位置，進行貨料稱重并完成卸載儲存的智能化倉儲管理系統中，利用電容式位移傳感器實現位移檢測，保障小車能夠準確?？?，其調理電路的設計至關重要，本文對此進行了研究。
1智能倉儲管理系統原理
智能化倉儲管理系統采用單片機控制，結合應變片傳感器、電容傳感器、A/D轉換模塊、H橋PWM輸出模塊、放大電路等，構成運料小車，其原理框圖如圖1所示。圖1中，應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?。
2電容傳感器信號調理電路設計
在本電容傳感器信號調理電路設計中采用差動式電容傳感器，調理電路設計中采用二極管不平衡環形電路，差動輸出的電容量在調理電路中分別是Cx1和Cx2，其調理電路如圖2所示。電容式傳感器調理電路由與非門組成的多諧振蕩器、LM324構成的放大電路以及二極管不平衡環形電路構成。圖2中，U1A和U1B兩個與非門之間經電容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折區，這時，兩個反相器都工作在放大區。由于電路完全對稱，電容器的充放電時間常數相同，可產生對稱的方波。改變R和C的值，可以改變輸出振蕩頻率。方波經過LM324運放放大后，送給二極管不平衡環形電路。二極管不平衡環形電路中的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，直流分量經過低通濾波后在輸出端得到不同極性的直流電壓。在系統中該直流電壓大小對應位移的變化，從而實現位移的檢測。二極管不平衡環形電路的設計如圖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過放大后再經C4，L1隔離直流和低頻干擾信號，在MO端的電壓uMO為正、負半周對稱的方波。在uMO正半周時，一路經D4對Cx1充電，另一路經D5對Cx2充電。在uMO負半周時，一路經D6對Cx2充電，另一路經D7對Cx1充電。若初始狀態下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Cx1≠Cx2時，C5兩端的uC5為正負半周不對稱的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量經過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理電路的測試平臺，隨著位移的變化電容傳感器電容量發生變化，從而調理電路輸出電壓UO發生變化，經過多次實驗得到位移—輸出電壓的幾組數據，如表1所示；對得到的數據計算平均值，結果如表2所示。采用端點直線法，以傳感器校準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結論
針對電容式位移傳感器設計的調理電路進行試驗平臺搭建和數據分析，采用端點直線法進行擬合計算出非線性誤差僅為±0.27%，非線性誤差很小，設計的調理電路在實際應用中有很大的實用價值，能夠準確的測量微小變化的位移。
參考文獻：
[1]孫立寧，晏祖根.電容式微位移傳感器設計及其應用研究[J].傳感器技術，2005，24（10）：13-15.
[2]海靜，盧文科.基于最小二乘法的差動變面積式電容傳感器非線性擬合[J].儀表技術，2014（2）：11-13.
[3]李巖，劉迪，張樹團.一種基于電容應變式傳感器的信號調節電路.自動化與儀器儀表，2014（1）：64-65.
[4]朱凌俊，王盛，任亞琳，等.基于電容傳感器的孔徑測量裝置[J].機械，2015（10）：34-39.
[5]宋美杰.基于電容傳感器的薄膜厚度測量系統設計[J].教育教學論壇，2016（19）：173-174
[6]張德福，葛川，李顯凌，等.電容傳感器線性度標定平臺[J].光學精密工程，2016（1）：143-151.
【關鍵詞】電容式壓力傳感器；誤差；干擾
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?；ひ苯疱仩t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?？墒沟貌糠植考c傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值也固定不變了。 [科]
【參考文獻】
[1]劉沁，周東旭，張治國，匡石，李新.電容式壓力傳感器的線性化校正與溫度補償.儀表技術與傳感器，1002-1841（2010）11-0001-02.
[2]徐堅.金屬電容式傳感器的靜壓影響誤差.自動化儀表.TP202.201103.
[3]李繼文.加速度傳感器集成電路ADXL05及其應用[J]國外電子元器件，1996，（08）.
關鍵詞：電容、傳感器、負載
Abstract: This paper describes the capacitive sensor has good temperature stability, simple structure, good dynamic response, non-contact measurement can be achieved, with the average effect of the advantages of high output impedance, load capacity is poor, and shortcomings of the parasitic capacitance of the film, and Problems in the application.
Keywords: capacitors, sensors, load
1.電容式傳感器的特點
1）優點
（1）溫度穩定性好。電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關，有利于選擇溫度系統低的材料，又因本身發熱極小，影響穩定性甚微。而電阻傳感器有電阻，供電后產生熱量：電感式傳感器有銅損、磁游和渦流損耗等，易發熱產生零漂。
（2）結構簡單。電容式傳感器結構簡單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實現某些特殊的測量；能工作在高溫，強車船及強磁場等惡劣的環境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力、高沖擊、過載等；能測量超高溫和低壓差，也能對帶磁工作進行測量。
（3）動態響應好。電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很?。s幾個10-5N），需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小、很薄，即質量很輕，因此其固有頻率很高，動態響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適用于動態測量。又由于其介質損耗小可以用較高頻率供電，因此系統工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數。
（4）可以實現非接觸測量，具有平均效應。例如，非接觸測量回轉軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減少工作表面粗糙度等對測量的影響。
電容式傳感器除了上上述的優點外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所以輸入和輸入能量極小，因而可測極低的壓力，以及很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨率高，能敏感0.01µm甚至更小的位移；由于其空氣等介質損耗小，采用差動結構連接成電橋式時產生的零殘極小，因此允許電路進行高倍率放大，使儀器具有很高的靈敏度。
2）缺點
（1）輸出阻抗高，負載能力差。電容式傳感器的容量受共電極的幾何尺寸等限制，一般只有幾pF到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達106―108Ω。因此傳感器的負載能力很差，易受外界干擾影響而產生不穩定現象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設計和使用帶來極大的不便。阻抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍的環境如溫度、清潔度等。不采用高頻供電，可降低傳感器輸出阻抗，但高頻放大、傳輸遠比低頻的復雜，且寄生電容影響大，不易保證工作的穩定性。
（2）。電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，其寢電容量都很小（幾pF到幾十pF），而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容（1―2m導線可達800pF），電子線路的雜散電容，以及傳感器內極板與其周圍導體構成的“寄生電容”卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（職電纜電容）常常的隨機變化的，將使儀器工作很不穩定，影響測量精度。因此對電纜的選擇、安裝、接法都有要求。
隨著材料、工藝、電子技術，特別是集成技術的發展，使電容式傳感器的優點得到發揚，而缺點不斷地得到克服。電容式傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態、低壓及一些特殊測量方面大有發展前途的傳感器。
2.應用中存在的問題
1）邊緣效應以上分析各種電容式傳感器進還忽略了邊緣效應的影響。實際上當極板厚度h與極距d之比相對較大時，邊緣疚的影響就不能忽略。這時，對極板半徑為r的變極距型電容傳感器。
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，同時始終保持等曜，以保證中間工作區得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應的影響。為減小及板厚度，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，蒸涂一薄層金屬作為極板。
2）靜電引力 電容式傳感器兩個極板間因存在靜電場，因而有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數、極間距離有關。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的彈性敏感元件的情況下，必須考慮靜電引力造成的測量誤差。
3）溫度影響 環境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數關系，從而引入溫度干擾誤差。這種影響主要有以下兩個方面。
（1）溫度對結構尺寸的影響：電容傳感器由于極間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件料線膨脹系數不匹配的情況下，溫度變化將導致極間隙相對變化，從而產生很大的溫度誤差。在設計電容式傳感器時，適當選擇材料及有關，可以滿足溫度誤差補償要求。
（2）溫度對介質的影響：溫度對介電常數的影響隨介質不同而異，空氣數溫度系數看似為零：頁巖某些液體介質，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介電常數的溫度系數較大。例如，煤油的介電常數的溫度可達0.07%/°C；若環境溫度變化加減50°C，則將帶來7%的溫度的誤差，故采用此類介質時必須注意溫度變化造成的誤差。
參考文獻：
1、王松林，魯高奇，電容式傳感器測量電路設計，電子質量，2011年第1
2、翟寶峰,梁清華，檢測糧食水分用的電容式傳感器，傳感器技術，2003年第22卷第2期
3、丁振榮,陳衛民，電容式傳感器測量油品中水的體積分數之新方法，傳感器技術，2004年第23卷第5期
4、楊三序，電容式傳感器在車輛檢測裝置中的應用，傳感器技術，2004年第23卷第9期
5、伊曉光,孫來軍,胡曉光，濕敏電容式傳感器測量SF6氣體濕度方法的研究，電力建設，2004年第25卷第8期
6、黎章,袁易君，基于AVR單片機的谷物水分檢測系統，農機化研究，2010年第32卷第6期
7、陳洪飛,楊其華,劉鋼海，基于CPLD的電容式角度傳感器測量電路設計，中國計量學院學報，2007年第18卷第2期
