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电容式传感器范文1
0.概述
我们所处的时代是信息时代，信息的获取、检测要靠传感器和传感技术来实现。传感器越来越广泛地应用于航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工等技术领域。电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。压力传感器是目前所有传感器种类来说，是使用最多的传感器，它的市场占有量也不不可估量的，那么它的各项技术也得根据市场需要，进行不断的改进和完善，以适应各个领域越来越苛刻的环境。
1.电容式压力传感器工作原理及其数学模型
1.1结构介绍
电容式压力传感器主要由一个膜式动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差动电容器即敏感元件。敏感元件是由隔离膜片、电容固定极板、测量膜片、灌充液组成，以测量膜片为中心线轴对称，测量膜片与两侧的金属模构成一对相等的平行板电容。如图1所示。
图1 敏感元件结构图
1.2工作原理
当被侧压力或压力差作用于膜片并产生位移时，形成的两个电容器的电量一个增大、一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力差相对应的电流或电压的变化。
图2 电容式压力传感器工作原理图
1.3压力—电容转换
如图3所示，被测压力通过高压侧隔离膜片，加到灌充液，液体流过瓷心孔进入腔室，将压力加到测量膜片上，膜片受力后发生位移，测量膜面与两侧构成的电容值随之变化，低压侧电容增加，高压侧电容减少。
图3 平行板电容器
厚膜片位移与差压转换关系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系数；R：膜片周边半径；d：膜片中心处位移
t：膜片厚度；P：被测差压；E：膜片材料的杨氏弹性恒量
薄膜片具有初始张紧，其位移与差压转换公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差压作用于室时，中心膜片的位移 与差压成正比。
1.4位移—电容转换
由于固定极板凹面直径很大，可视为平行板电容器，平行板电容C=。
ε为平行板中间介质的介电常数；
A平行板电容的面积；
d平行板电容两端间距。
PH：高压室所受压力；PL：高压室所受压力。
当两边压力相等时即PH=PL，初始电容量C=C=K
当PH>PL，测量膜片位移为d，此时低压侧的电容为C=K（d0-d），高压侧电容为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）
改变结构系数K1即可实现不同量程的测量，将位移量转换成
的变化。
1.5电容比—电流的转换
解调器将流过CL、CH的交流电流解调成直流电流IL、IH，原理图如图4
图4
2.电容式压力传感器的性能
2.1静态特性
当被测量X不随时间变化，或随时间的变化程度远缓慢与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度时，传感器的输出量Y与输入量X之间的函数关系。因为这时输入量与输出量都和时间无关，所以他们之间的关系即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量做横坐标把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2.2动态特性
当被测量X随时间变化，而且随时间的变化程度与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度相比不是缓慢的变化程度时，传感器的输出量y与输入量X之间的函数关系。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
3.影响电容式压力传感器精度的因素
电容式压力传感器直接接触或接近被测对象而获取信息，与被测对象同时都处于扰的环境中，不可避免地受到外界的干扰。压力传感器如果说它的抗干扰能力不过硬，那么在它的价值上，也是个相差很大的，因为的应用范围受了很大的限制，所以市场前景也是得不到扩大的，提高抗体干扰性是不容忽视的问题。
3.1温度影响
由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。化工冶金锅炉等高温环境下的压力测试还可以通过改善敏感元件电容器的物理特性改变传感器的尺寸进一步提高传感器的工作范围灵敏度等。
3.2静压影响
金属电容两边受压，压力经隔离膜片传递到内部中心膜片上。从图5可以看出传感器内部的压力从中心向四周方向分布，X方向的应力得到全部抵消，但是Y方向的应力q全部加在传感器的外壳上。由于结构尺寸的原因，越靠近中心结构越单薄，传感器的抗压能力越差，尤其是中心膜片处结构强度最为薄弱。在高静压下，中心点处产生一个最大的扰度。在高静压下中心膜片向外的张紧力增加，膜片的紧绷程度相对工作静压为零时得到加强，并且工作静压越大其紧绷程度越大，中心膜片随差压的位移变小，产生误差。并且静压影响绝对误差，工作静压越大其量程的静压误差越大。至于零位的静压误差，则表现为方向的不确定，这主要由焊接应力和传感器的个性相关，不具有规律性。通过提高制造加工精度来减小静压误差。
图5 应力分布和扰度变化图
3.3边缘效应的影响
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。
3.4寄生电容的影响
电容式压力传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响可缩小传感器至测量线路前置极的距离将集成电流的发展、超小型电容器应用于测量电路。可使得部分部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。 [科]
【参考文献】
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电容式传感器范文2
关键词：油； 油液检测； 介电常数； 电容传感器
中图分类号：TN919-34 文献标识码：A
文章编号：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
油在使用一段时间后，由于外界杂质的侵入和本身的氧化、凝聚、水解和分解等原因［1］，会使油液的介电常数值发生变化。使用电容传感器测量油液的介电常数可以反映油品质、磨损故障等信息。当前的离线油质分析仪不能完全准确地反映整体油液的质量信息，在油液中磨粒较大、分布不均匀的情况下尤为明显。本文设计了一种用于现场快速检测的电容传感器，该传感器成本低廉、使用方便，外接电路后可快速检测油的使用状况。
1 油介电常数测量原理
油是一种复杂的烃类混合物，可以把它作为┮恢值缃橹世纯悸恰K孀湃蠡油使用期的增加，其性能衰变主要体现在以下几个方面：
（1） 油内部组分长期与空气接触发生氧化反应；
（2） 粘度指数改进剂、抗氧剂、抗磨剂等添加剂损耗；
（3） 外部污染，包括水污染、乙二醇污染、固体颗粒污染等。
油被氧化、添加剂损耗会导致分子极性变化；水的进入会产生H+，OH-离子；酸值的变化伴随着H+，RCOOˉ离子的产生；金属磨粒会产生自由电子［2］。以上几种因素均会不同程度地改变油液内部极化成分的数量，从而导致介电常数值的变化，所以介电常数是反映油液老化、被污染以及磨损状况的一个综合参数。
电介质的介电常数大小可通过测量平行板电容器的电容来间接获得。对于如图1所示的平行板电容器，多数文献采用了以下公式表达电容与内部介质的介电常数关系：
ИC=ε0εrS/d（1）И
式中：Е弄r为内部介质的相对介电常数；ε0为真空介电常数；S为极板面积；d为两极板间距。
上述公式是在极板长度a，宽度b远大于极板间距d的情况下推导出的，此时由于边缘效应影响而引起的附加电容可以忽略不计。但在实际应用中，因测量空间的限制，极板不可能为无限大。根据文献［3］的研究成果，有限尺寸的平板电容器，计及边缘效应的电容近似表达式为：
ИC=εabd+εaπ1+ln1+2πbd+ln1+2πbd+
εbπ1+ln1+2πad+ln1+2πad（2）И
又Е=ε0εr，所以上式可改写为：
ИC=Kεr （3）И
由此可以看出电容值C与介质的相对介电常数εr具有理论上的线性关系，通过测量内部充满油的电容器的电容值,就可以确定机油品质的劣化程度。
图1 平板电容器模型
2 电容传感器设计
考虑到现场离线快速检测的便捷性、稳定性要求，传感器采用平行极板式结构，其基本形状示意图如图2所示，主要由一对平行极板、外部固定装置和一个有机玻璃油槽组成。接线柱内嵌铜芯，与极板焊接在一起。由于在下一步的方案规划中，拟加入光电检测模块，所以在传感器左右两侧设计了凹槽，以使激光穿过油液，测量透光率。为避免外界电磁干扰，电极外面加上金属屏蔽罩。
图2 电容传感器示意图
对于传感器材料的选择和尺寸的确定主要考虑以下因素：
（1） 用于电容传感器的电极材料主要有炭材料、金属氧化物和导电聚合物。本文选择成本低廉、导电性好、温度系数低、容易获取和加工的铜作为极板材料，并根据其标准规格和灵敏度要求确定极板厚度P=0.5 mm。
（2） 极板尺寸和间距决定了传感器的大小和被测油量的多少。使用中的油是成分复杂的混合物，尤其是摩擦产生的磨粒，大小和分布并不均匀。为了使测量更加准确，显然取油量越大越好，但现场操作又要求用最少的油样数量获得满意的数据，而且小型化的传感器更利于制成便携式检测系统。为了减弱边缘效应的影响，极板间距要尽量小，但间距的减小势必导致极板被击穿的可能性增加。综上所述并参考文献中的设计经验，初步确定极板长a=50 mm，宽b=30 mm，间距d=20 mm。
（3） 油槽材料选择有机玻璃［3］，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，这种材料表面光滑度高，不易粘着油液中的污染物，清洗方便；透射率高达92~93%，可透过可见光99%；强度高，韧性好，易于加工；能耐一般的化学腐蚀。根据加工的要求和有机玻璃的标准规格，拟定油槽壁厚为1.5 mm。
（4） 聚四氟乙烯具有较高的机械强度和良好的绝缘性，且成本低、介质损耗小，因此选用该材料加工成固定装置［4］。
3 实验验证
采用谐振法对传感器进行了测试，测试电路由振荡电路、低通滤波放大电路、单片机计数器及显示模块组成，如图3所示。振荡电路将传感器的电容变化转化为频率的变化，此频率信号经滤波放大和分频后送入单片机计数器，由单片机进行数据处理，将得到的电容值显示在LCD上。测量之前要保证油槽的干燥以防混入水分，被测油样分别取自某型号柴油发动机和变速箱。
从表1中数据可看出，实验结果重复性很好，2种不同介质多次测量结果标准差分别为0.207，0.351，最大偏差分别为3.1%，4.8%，说明在确定的实验条件下，测得的数据是可靠的。空气的相对介电常数可视为1，从表中数据也可计算出传感器的杂散电容大约为6.9 pF。对不同使用期的油样进行了测量，每种油样均采用多次测量求平均值的方法得出最终数据，实验结果如表2所示。
根据式(2)计算油样的相对介电常数值，计算时需减去杂散电容［4］。绘制油品相对介电常数与使用期的关系曲线，如图4所示。
4 结 语
本文基于介电常数测量原理研制了一种用于油现场快速检测的电容传感器，该传感器具有以下优点：结构简单，不需要复杂的制造工艺，而且所选择的材料价格低廉；取油方便，不必对机器内部油路进行拆装即可实现现场快速检测；极板间电场强度相对均匀，这就使各种极化成分在检测场内的空间位置对测量结果的影响较小；玻璃油槽将油液与极板隔开，防止对极板造成污染，测量后容易清洗，避免了污染物沉积影响测量精度。实验验证了其稳定性和有效性，对于合理标定换油阈值、实现按需换油，具有重要的应用价值。
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电容式传感器范文3
本文采用的是电容法测液位。传感器和变送器部分是本论文的主要研究内容，首先对传感器和变送器部分进行了设计，变送器设计应用了模拟电路技术和数字电路技术。其中电容信号检测电路采用的是由两片555定时器构成的脉宽调制法。
本文控制装置采用的是S7-200控制器和上明牌ZDSM系列电动调节阀。通过此控制装置实现了对液位的闭环PID控制。另外在容器的上、下限位处分别安装液面传感器可实现对上、下限位的报警。
关键词：液位检测；电容式传感器；变送器；控制装置
第一章 系统整体设计
以单个容器为例，具体的框图如图1.1所示。其中电容式传感器位于容器中，变送器位于容器顶。其中本课题涉及到的硬件主要包括电容式传感器、电容检测信号和变送器，其次是控制器和电动调节阀。软件设计就是对PLC的编程，软件较硬件简单，通过硬件设计和软件编程以实现对液位系统的闭环PID控制，使整个系统具有很好的稳定性。另外，当控制装置出现故障时，还可通过手动调节电动调节阀的开度。
图1.1 系统原理框图
在液位控制系统中，用电容式传感器检测液位，变送器将液位传感器输出的电容值转换为标准量程的电流信号，然后送给模拟量混合扩展模块(EM235)，经A/D转换后得到与液位成比例关系的数字量，CPU将它与液位设定值比较，并按PID控制规律对误差值进行计算，将运算结果（数字量）送给模拟量混合扩展模块,经D/A转换后变为电流信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制进水量，实现对液位的闭环控制。
第二章 电容式传感器的设计
对于电容传感器，设计时可以从以下几方面予以考虑。
1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。
环境温度变化使电容式传感器内各零件几何尺寸和相互间几何位置及某些介质的介电常数发生改变，从而改变传感器的电容量，产生温度附加误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此，必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。
电容式传感器的金属电极材料以选用温度系数低而稳定的铁镍合金为好，但难以加工。也可以采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。
传感器内电极表面不便经常清洗，应加以封装，用以防尘、防潮。若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件而起保护作用，可防尘、防热、防湿、防腐蚀，并且在高温下可以减少表面损耗，降低温度系数，但成本较高。
电容式传感器的容抗都很高，特别是当电源激励频率较低时。当两极板间总的漏电阻若与此容抗相近时，必须考虑分路作用对系统灵敏度的影响，所以传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外，还要有稳定的性能。因此，选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并且具有高的绝缘电阻、低的吸潮性和高的表面电阻的材料，例如云母、石英、人造宝石及各种陶瓷作支架。虽然这些材料较难以加工但性能远高于塑料和有机玻璃等材料。在温度不太高的环境下，可以考虑选用聚四氟乙烯材料作支架，其绝缘性能较好。
电容式传感器的电介质应尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质（也不受湿度变化的影响）。若采用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差，这种温度误差虽然可以用后接电子线路加以补偿（如采用与测量电桥相并联的补偿电桥），但不易完全消除。
可以用数学关系式来表达温度变化所产生的误差，作为设计依据，虽然比较繁琐，但可以借助计算机处理。
传感器的电源频率采用50kHZ至几兆赫，可以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。还应指出，由于电容传感器的灵敏度与极板间距离成反比，因此初始距离都应尽量取的小些，这不仅增大加工工艺的难度、减小了变换器作用的动态范围，也增加了对支架等绝缘材料的要求，这时甚至要注意极间出现的电压击穿现象。
2.消除和减小边缘效应与泄露电容的影响
电容器的边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性以及降低传感器的灵敏度。消除和减小的方法是在结构上增设防护电极，防护电极必须与被防护电极取相同的电位，尽量使它们同为地电位。还可以将电极板做得尽量薄，使其极间距相应减小，从而减小边缘效应。
电容式传感器的电容量及其工作时的电容变化量都很小，往往小于泄露电容。所谓泄露电容，主要由两部分组成：电容器的极板与其周围导体构成的寄生电容以及引线电容（电缆电容）。这些泄露电容不仅降低了传感器的灵敏度，而且它的变化是虚假的，且随条件而变，很不稳定，从而会引起较大的测量误差，必须消除或减小它。 （2）消除电缆电容的方法有：将测量线路的前级安放在紧靠传感器的地方，或利用集成技术将它们组合在一个壳体内，以减小或省去电缆长度和电缆位置变化的影响；对于圆筒式传感器可采用接地屏蔽措施，克服不稳定的寄生电容的影响。屏蔽和接地时必须注意避免电极移动时，高电位极板与屏蔽间电容的变化，以防止造成虚假的输出信号。图2.1画出了圆筒形电容式传感器的接地屏蔽方式，图中可动电极处于地电位，这样既解决了可动电极的绝缘处理问题，又可以保证电极移动时与屏蔽间的电容不变。
图2.1圆筒形电容传感器的接地屏蔽示意图 其中图中，， 。所以总电容量C为式为：
&n bsp;
。这说明，电容量C的大小与电容器浸入液体的深度成正比。
图2.2圆筒式电容式传感器电极
本设计中电容极板的材质采用铜，也是制作PCB板的材料，因为铜与金和银在元素周期表中同属一族，因而具有与贵金属相似的优异物理和化学性能。它塑性好、易加工、耐腐蚀、无磁性、美观耐用、特别是，铜的导电和导热性除略逊于银以外，是所有金属中最好的。由于银比较昂贵，因而铜是被广泛应用的最佳导电体和导热体。
第三章 变送器设计
3.1 电源电路设计
供电电源电路如图3.1所示：
图3.1 供电电源电路
3.2 电容检测电路设计
本文中所用的电容检测电路是由两片555构成的脉宽调制法。
图3.2 由555构成的脉宽调制法原理图
脉宽调制法的电路原理图如图4.2所示。它是用一片555定时器和一些阻容组成多谐振荡器，另外一片555定时器、待测电容和一些阻容组成单稳态触发电路。多谐振荡器的输出作为单稳态触发器的输入信号，这样单稳态触发器就输出一个占空比与被测电容成正比的脉冲。而单稳态输出脉冲的占空比由于输出电压平均值有关，因此只要检测出电压平均值就可以反应被测电容的大小。
该方法的主要优点是电路简单、价格便宜、测量方便，具有一般的测量准确度。主要缺点是不能自动调零，线性度差。
3.3 电压转换电路
图3.3电压转换为电流信号原理图
因为运算放大器具有高输入阻抗的特性,因而运算放大器的两输入端的电流和可以近似为零。
因运算放大器的输入阻抗高，故流经R10的电流近似为零，又由虚短和虚断可知，V0及第二个变送器的输出电压相等。对第三个运算放大器和电压跟随器应用同样的原理，并设输出电流为I。可得
令 可得 ,即
由 OUT= ，又可得
第四章 控制装置
在液位闭环系统中，用电容式传感器检测液位，变送器将液位传感器输出的电容值转换为标准量程的电流信号，然后送给模拟量混合扩展模块(EM235)，经A/D转换后得到与液位成比例关系的数字量，CPU将它与液位设定值比较，并按PID控制规律对误差值进行计算，将运算结果（数字量）送给模拟量混合扩展模块,经D/A转换后变为电流信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制进水量，实现对液位的闭环控制。
电动调节阀采用上明牌ZDSM系列直行程电动套筒调节阀，由套筒阀配用德国进口PS系列电动执行机构组成。
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电容式传感器范文4
关键词:传感器加速度电路设计
1课程标准对于传感器一章的要求
《普通高中物理课程标准（2017年版）》对于传感器一章的要求为：知道非电学量转换为电学量的技术意义；通过实验，了解常见传感器的工作原理，会利用传感器制作简单的自动控制装置；列举传感器在生产生活中的应用。可见，课程标准从学科学业要求的层面提高了对传感器的重视程度。传感器是物理知识和技术应用两个领域的重要交叉点，一方面蕴含了丰富的物理知识与思想，另一方面体现了技术在日常生活中的应用，与新高考评价体系“一核”“四层”“四翼”的要求高度契合，充分体现了基础性、综合性、应用性和创新性。本章从实际情境中习得知识、运用知识，与新课程、新高考理念契合，教师们需对本章节给予足够的重视。由于智能手机的普及，传感器作为被研究的对象或科学探究的工具，为学生提供了丰富的课后研究空间。如何找到切人点将传感器与课程教学、学生活动有机结合，是本文讨论的重点。
2中学阶段传感器的应用
当前中学阶段有关传感器的应用，多集中在实验仪器方面，例如用DISlab或PASCO系统设计教具及实验辅助教学，用智能手机内置的传感器进行实验探究等。集成化传感器的应用体现了现代科技服务于学科教学，为教与学拓宽了深度和广度，也为学生的自主探究提供了技术手段上的支撑。通过传感器辅助演示实验，更清晰地展现实验现象和实时采集的数据，让学生对实验有更深刻的认识，也更容易理解物理规律；同时，学生在亲自动手实验过程中，学会使用传感器去测量某些物理量或设计实验，提升了科学探究核心素养。
3教师研究传感器的新方向
在拓宽传感器应用的基础上，尝试挖掘传感器背后的工作原理，将技术与物理原理相结合，是中学教师研究传感器的新方向，也为命题与教学设计提供了新思路。引导学生用已有的物理知识去理解、解释常见传感器的基本原理，可从物理观念层面提升学生的物理学科核心素养。传感器通过电路进行测量与控制，恰好是学生加深理解相应物理规律、领悟电路设计思路的重要载体。例如，霍尔元件在磁场中产生的霍尔电压与什么因素有关；如何通过测出的数据绘制的电压－时间图象算出转速等。传感器是将非电学量转换为电学量的元件，转化法是科学思维中的重要方法。如何实现这一转化，则是在设计传感器时要解决的核心问题。例如，位移传感器是通过测量什么物理量来测量位移的？物理量间的转化，是科学探究中经常面临的问题，对该问题的深人思考，有助于拓宽解决问题的思路，提升学生的思维水平。下面将以加速度传感器为例，介绍如何从设计原理和物理量的转化入手，挖掘传感器的教学价值。
4基于实际情境的设计——加速度传感器
加速度传感器在生活中有重要作用，例如控制？22？汽车安全气囊的弹出需要迅速、精准地测量加速度。如何方便且准确地测量加速度呢？测量加速度主要基于两种原理：一是运动学公式《＝二是牛顿运动定律a＝f。高中物理常见的测量方案是用打m点计时器记录物体运动的位置和时间信息，通过运动学公式求解。但受精确度和可操作性的限制，无法满足生活实践的需要。利用牛顿运动定律设计传感器，则需要实时测量物体所受的合外力，并转化为电学量输入控制电路。常见的加速度传感器主要有电阻式、电容式、应变式、压电式等。考虑到与高中物理知识的关联性，本文选择电阻式和电容式传感器作为教学素材，两者测量加速度的方式相似。如图1所示，物体与固定的弹簧连接，弹簧形变改变物体的受力情况，将测量合外力转化为测量弹簧的形变量，再通过弹簧形变引起接人电路的电阻或电容变化，将弹簧形变量这一非电学量转化为电压、电流等电学量，实现弹簧形变量的测量，再由胡克定律算出弹力从而得到物体的加速度。在电容式加速度传感器中，与弹簧相连的极板会随着受力情况的改变靠近或远离另一固定的极板，通过测量电容器的充放电情况，便可反推出物体的加速度大小和方向。课程标准对电容式加速度传感器的要求较低，只需定性分析原理，将惯性、加速度与平行板电容器的充放电联系起来，实现知识的有机融合。举例如下。例题微信运动步数的测量是通过手机内电容式加速度传感器实现的。如图3所示，电容器与电源相连，上极板固定，下极板连接两相同弹簧，弹簧只能前后伸缩，图中i？为定值电阻。下列对传感器的描述中正确的是（A）静止时，电流表示数为零，电容器两极板不带电（B）由静止突然向前加速时，电容器的电容增大（C）由静止突然向前加速时，电流由6向a流过电流表（D）保持向前匀减速运动时，电阻反以恒定功率发热实际生活中常用的MEMS系列加速度传感器就采用电容式的设计思路，原理图如图4所示，质量块做变速运动时，通过电路中电容电荷量的变化，间接测量质量块相对平衡位置的运动距离，得出弹簧弹力由此算出加速度。真实情境中需在三维空间里测量加速度，则在三个相互垂直的方向设置类似的装置，分别测出三个方向的分加速度再进行合成。这两种加速度传感器的设计都将求加速度这一力学问题与电路知识结合，通过转化法与科学推理，将非电学量转化为电学量。若以设计加速度传感器为主线进行项目式学习，引导学生经历实验原理选择、实验电路设计、实验装置搭建、实验操作与数据采集、分析与论证、交流与反思等科学探究全过程，可在实际情景下加深学生对用牛顿第二定律求加速度、电路设计的理解，让他们初步体验从科学知识到技术应用的过程，也为学生从实际情境中发现问题、解决问题提供了方法论上的指导。
5小结
优化实验和用已有知识理解、设计传感器两个角度深人思考，使学生在实际问题的解决过程中完善知识网络，提升分析、推理能力，播下创新、创造的种子。
参考文献
［1］周祎，马如宝．创设真情景探究真问题［J1物理教学，2019（8）：2－6．
电容式传感器范文5
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 @30.0mA
电容式传感器范文6
易于使用是高科技产品设计时的重要考虑，低价的LCD面板则促进开发者使用影像及色彩来建立直觉式而具吸引力的用户接口。此外，触控感应科技可让用户直接与图形接口互动，因此足以满足愈来愈广泛的应用需求。种种强化功能一并运用时，则让家用设备、公用信息站、游戏系统、讯号与零售终端机等设备的功能与外观出现革命性的转变。
我们或许可说，最新的移动电话及媒体播放器、游戏主机与PVR(个人录像机) 等高阶消费性产品，是最前卫的用户接口设计。新一代的制造设备中也透过交互式菜单、3D图形与彩色代码选项等功能，纳入了进阶的人机设计。这些设计的优势包括更快速、更简单的操作者学习、设定速度更快，以及进阶的功能。包括洗衣机和咖啡机等家用设备，也可利用低成本的黑白或彩色OLED与LCD来支持新功能并呈现缤纷亮眼的影像。
透过触控科技的发展，设备开发工程师可以把机械化的钥匙、开关或鼠标抛在一旁。这项进展不仅促进使用的便利性，更能节省空间与组件的成本，同时提高可靠性。擦拭即可保持洁净的表面对许多家用与工业设备而言更极具优势，同时有益于特别着重清洁的应用途径。有了触控功能，设备服务业者可在公共场所规划更多智能型且兼具互动性的装置。由于用户可直接碰触所需选项，因此即使是对自身计算机使用能力缺乏信心的使用者，也可使用售票机、自动贩卖机、公共信息站和自动付款终端机等设备。
为了成功运用触控科技，设计师必须从许多面向设想，包括设备使用的环境，以及预期的使用方式与预计的生命周期。举例来说，专供户外使用的设备(例如站前广场付款系统或公共信息站)会优先考虑，因为下雨、落叶或下雪而导致系统错误启动、低温或高温的承受力、对刮痕的敏感性，以及可能有尘土或水分进入的可能性。于户外时，良好的阳光下可读性亦非常重要，要达到此目标必须具备高度的光学清晰度，才能在最明亮的阳光下显示影像。现今的触控屏幕控制器可以支持精致的功能，例如拖曳与鼠标点击功能。最新的触控式消费性装置现在已经进步到可以采用手势辨识(例如两根手指挤压、轻击与放大缩小)等崭新功能。一般预期，更聪明的功能开发很快就会提供多位用户的触控功能，以及提供可让使用者触觉响应的触觉式触控(haptic)功能。
触控传感器科技推陈出新
已有许多触控传感器科技被开发出来以响应特定应用领域所面临的严苛挑战。大部分的科技集中在称为前面板触动科技的领域，例如将多线电阻传感器或传统电容触控传感器，整合于显示器表面的覆盖膜。其他前面板触动科技还包括红外线与表面声波(SAW)触控传感器，这类科技仰赖的是光场或声场，透过屏幕表面来设定，可以侦测触控造成的干扰。
为特定应用途径选择最理想的传感器时，设计师必须评估实务的面向，例如预期的责任周期、先前提及的气候与环境因素，以及抵抗物理损害的相对重要性。损害可能来自意外或环境因素；然而，也可能是对自助服务银行或进出控制系统等设备进行蓄意破坏或结伙犯罪攻击。如果并非蓄意破坏，即使在正常使用的情况下，耗损仍可能迫使设备需要频繁的汰换，从而增加设备服务业者的拥有成本。举例来说，标准四线电阻传感器的生命周期最低可能仅提供300，000次运作。错误的触控侦测是设计师必须谨记的另一项危机，红外线与SAW传感器尤其容易因为雨滴撞击显示器表面而出现错误侦测。如果红外线传送器脏污或在强烈的阳光下运作，系统的效能可能下降，而且如果设备必须能够忍受一定程度的尘土或水分累积，更应谨慎将SAW传感器整合至显示单元，否则可能会增加制造的成本。
投射式电容式触控技术
投射式电容式触控技术(PCT)是电容式触控科技空前的发展成果，可以用微细的电极数组取代传统的电容覆盖膜，并在传感器前方产生电容感应区。感应数组都压缩在合成结构之内。这项功能可以减少用户直接的接触，并在一般使用的情况下达成长久的耐久性。此外，即使前方控制面板出现严重刮痕或凿挖的痕迹，仍旧能够继续侦测触控。在需要高度安全性的情况下，例如自助现金提领服务或进出控制系统，可以特意采用坚硬甚至胶合玻璃，来提高额外的强度。即使是前方控制面板的厚度接近20公厘，感应数组仍能提供可靠且正确的触控侦测能力。
PCT为许多一般应用途径提供了多元性的选择。传感器的设计可以增加流行元素，纯玻璃前方显示器的设计不需前盖，这个特性也可以增加清洁与排水的便利性。传感器的制造，没有受到导电涂层的薄膜影响，在考虑户外使用布建时，可以提供高亮度环境下的传送。在艰困环境下的应用途径，例如在农场、矿场、石化和食品加工产业的环境中使用的计算机控制系统，触控显示器可以轻易密封，以防止液体微粒甚至石油气累积，同时有助清洁工作的进行。
随着宽屏幕LCD及新兴产品大尺寸显示器品牌越来越受欢迎，为大型显示器增加触控功能也能让用户拥有更多新的体验。大部分触控传感器无法与超过40英寸的屏幕尺寸整合使用，但Zytronic最近成功开发的多频道控制器现在可以让PCT触控感应功能在最大达82英寸的屏幕尺寸上使用，包括宽屏幕型态在内。
