现代检测技术 电容传感器 论文1

现代检测技术 电容传感器 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 1 现代检测技术: 电容式传感器 摘要:电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。它具有结构简单，分辨率高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触量，并能够在高温、辐射和振动等恶劣条件下工作等一系列优点。广泛应用于压力、位移、加速度、液位、振动及湿度等参数的测量。本文主要介绍电容式传感器的原理、结构、特点及在应用。 关键字:电容式传感器，变极距，变面积，变介质 传感器，是一种能感受规定的被测量(如物理量、化学量、生物量等)并按一定规律转换成有用(与之有对应的关系的且易于处理和控制)输出信号的器件或装置;它由三部分组成:敏感元件、转换元件和测量电路。传感器中的敏感元件感受被测量并按照某种确定的关系将之转换为电量的其它量，再由转换元件转换为电量，然后经测量电路转换为有用电信号。即使这么说，还是觉得它很抽象吧。形象点说，传感器相当如人的五官(眼、耳、口、鼻、舌)和皮肤，采集各种信息并送入计算机进行处理，产生并发出各种控制信号到执行机构，从而实现智能化和自动化。而传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，是信息技术、自动化技术和工程技术人员知识结构的重要组成部分。传感器的技术特点是:内容范围广泛且离散;知识密集程度高、边缘学科色彩浓厚;技术复杂、工艺要求高;功能广、品种多、性能优;应用广。传感器的分类众多，可以按工作机理分类，按被测量分类，按被测量的性质不同分类，按敏感 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 分类，按能量关系分类，按工作原理分类，按输出信号形式分类和按应用范围分类......如果按照工作原理分类，一般有:电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式、磁敏、湿敏、光纤式等。而现在要论述的就是电容式传感器。而电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。它具有结构简单，分辨率高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触量，并能够在高温、辐射和振动等恶劣条件下工作等一系列优点。广泛应用于压力、位移、加速度、液位、振动及湿度等参数的测量。 一:电容式传感器的结构与工作原理 AA0两块平行平板组成的一个电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量 c ,,, r,,dd0 -12其中，ε为电容极板间介质的介电常数;ε真空介电常数，ε=8.83×10F,m;ε为极00 r板间的相对介电常数;A为两平行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得中的A,d或ε发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 如图1为各类型电容式传感器原理图。 图1 1. 变极距电容传感器 如图2为变极距型电容式传感器的各型原理图。 图2 当传感器的εr和A为常数, 初始极距为d时, 由 0 AA0c,,,r,, dd0A01可知其初始电容量C为 0 c0,, ,d0 若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有 ,d0c(1，) 00Ad,,2,r C1=C0+ΔC= ,d(,d)0d,21, 0d0d 由该式可知, 传感器的输出特性C =f(d)不是线性关系, 而是双曲线关系。 2.变面积电容传感器 如下图是变面积型电容传感器原理图。 变面积线位移电容传感器原理图 变面积角位移电容传感器原理图 图4 图5 ,,(a,,x) ΔC=C,C= 00r ,c,x式中C=εεbL/d为初始电容。电容相对变化量为 00r000 , ca0 很明显, 这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx是线性关系。如图 5 是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时, 与定极板间的有效覆盖面积就改变, 从而改变了两极板间的电容量。当θ=0 时, 则 C=εεAd 00r00 式中: ε为介质相对介电常数; d为两极板间距离; A两极板间初始覆盖面积，当θr0 0 ?0时, 则 C=εεA 10r0 从上式可以看出, 传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。 3.变介质型电容式传感器 如图6是变变介电常数电容传感器原理图。 图6 当在电容器两个极板之间充以空气以外的其他介质时，介电常数相应变化，电容量发生改变，构成了变介电常数型电容传感器。 变介电常数电容传感器的结构较多，其中有利用一些非导电固体的湿度变化，介质自身介电常数变化的电容传感器，可以用来测量粮食、纺织品、木材、煤炭等物质的湿度。 图7 如图7 是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度为h, 变换器总高度为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 2h2(Hh)则此时变换器电容值为 c ,,,,,1DD,， lnln 2H2h()dd ,,,,,,1DD ,，lnln 2()hdd c,,,,, 1D,，0 ln d C由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 所以 02H ,,D, C0 ln d 由上式可知, 此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张, 绝缘薄膜等的厚度等，图 8是一种常用的结构型式。 图8 图中两平行电极固定不动, 极距为d, 相对介电常数为ε的电介质以不同深度插入电0r2 容器中, 从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为 LL0 ,(,)cccbr12001 ,，,,d0 式中: L, b为极板长度和宽度; L为第二种介质进入极板间的长度。若电介质ε=1, 当00r1 LL=0时, 传感器初始电容C=εεLb/d。 当介质ε进入极间L后, 引起电容的相对变00r,000r2ccc0 化为 (,,1)r,,2 ccL000,, 可见, 电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。 二;电容式传感器的应用 电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。 当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。 如图9所示为电容差压传感器。 图9 构成:膜片——动极板，一般采用不锈钢材料制作，需要加预张力。玻璃基片上镀有金属层的球面极板，这里的球面很夸张。球面的作用是压力过大时(过载)保护膜片，并改善系统 的非线性。后续测量电路常使用差动脉冲调宽电路。 电容式传感器的应用比较广，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量。相应地，产生了很多类型的电容式传感器，如电容式位移传感器、电容式压力传感器、电容式加速度传感器、电容式液位传感器等等。 电容式传感器，顾名思义，指的是电容与传感器的组合。它是传感器的其中一种，因而也是由敏感元件、传感元件、测量电路组成。所不同的是，它以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量的变化，再经测量电路转换为电压、电流或频率，以达到检测或控制的目的。在过去，电容式传感器主要应用于位移、加速度、角度和振动等机械量的精密测量;现在多用于压力、压差、液位、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是:测量范围大;灵敏度高;动态响应好;小功率、高阻抗;机械损失小;结构简单，适应性强;但寄生电容影响大，而且变间隙式电容传感器存在非线性误差。 电容式传感器的分类也是多种多样的，按工作原理可分为变间隙式(变极距型)、变面积式、变介电常数式(变介质型);按极板结构分为平板式和圆柱式;按被测量分为位移、压力、应力、湿度、温度等类型。电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点,电容传感技术投入应用已长达一个世纪。特别适用于酸类,碱类,氯化物,有机溶剂,液态 CO2 氨水, PVC 粉料,灰料,油水界面等液体位测量。目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。 现在传感器的应用十分广泛，其发展趋势逐渐趋向固态化、集成化、多功能化、图像化以及智能化。 例如: 1、 ZCS1100型精密电容位移传感器。本传感器可以在线检测压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。该传感器是一个单一的通道，高性能线性位移测量系统，创新的电容位移测量技术，提供了纳米测量能力，成本低，适合测量任何导电目标。 2、FWS-C?型在线电容式水分检测传感器。在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率，特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮 机、船舶机械。 监视循环油系统是否存在泄漏，如水冷却器等。 监视工作机械的密封元件是否损坏，引起外部水渗入。 监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。，从而精确测定润滑油质量，预测设备故障，是设备润滑油管理中的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，测量精度高，工作稳定，具有较强的抗电磁干扰性能。封闭型不锈钢制外壳具有很好的防水防尘性能。可直接安装于工厂现场液压润滑管道上。是理想的在线水分检测传感器。 该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种低水分油品的含水率。直接显示，远程控制和报警。实现数据存储，积算、传输和控制功能。普遍应用于大中型机械联动机组的液压、润滑循环系统 例如:高线轧机和板带轧机润滑油系统、板带轧机和棒线轧机液压传动系统、汽轮发电机组润滑系统、造纸机组润滑系统、船舶机械润滑系统、燃料油库。粘度计，污染度，湿度计电容式传感器 3、 FW-C1型电容式润滑油实时在线监测传感器。本传感器可以在线准确测定润滑油的污染程度，包括氧化程度、含水量和其它机械化学杂质污染度，从而精确测定润滑油质量，判定是否需要更换润滑油，即可节约油料，又能预测设备故障，是设备润滑油管理中改变传统的按期换油，实现按质换油的关键部件。本传感器采用螺纹连接，体积小，重量轻，结构可靠，是理想的在线润滑油检测传感器，可普遍应用于各类大型动力机械，轴承，齿轮箱，泵机和汽轮机的润滑油检测质量实时检测中。该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，实现数据存储，积算、传输和控制功能。 4、电容式水位传感器就被应用于太阳能热水器储水箱的水位及温度等的物理量的测量中。电容式水位传感器以耐高温耐腐蚀的聚四氟乙烯绝缘导线作为感应体,依据电容原理而制作。水作为电容的介质淹没感应导线越高,发生的电容量就越大,且能随着水位升降呈线性变化,控制系统通过检测电容量的大小变化来计取太阳能热水器储水箱里的水位,具有结构合理、动态范围大、分辨率高(水位显示可分成 100 档甚至是 1000 档)无密封防水要求、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点。由于太阳能热水器储水箱的内胆直径通常只有 30~36 公分,可获取的电容变化量往往仅有几十个或 100 来个皮法的大小,属于微弱电容的检测,若想有较高的显控精度,其测量值的准确性与稳定性显得优为重要。然而,电容式传感器恰恰在这方面存在严重缺陷:工作原理是需要根据被丈量程对零水位点和满水位点的电容量进行预先设定,但在使用过程中随着温度、湿度、以及元器件的性能等因素的变化会产生寄生电容,而且是随机性的 , 但是电容式传感器在太阳能热水器的实际应用中。其寄生电容甚至可以超过被测电容的变化量;当发生此种现象后,尽管被测电容的变化量与水位变化的对应关系不会改变,可是由于预定的丈量常数与实际电容量已不一致,控制系统所计取的水位与实际水位会有很大的误差,从而频频发生误控或失控事故,导致电容式传感器在太阳能热水器上没有实际使用价值,这也是电容式传感器迟迟未能大批量上市的主要原因。 电容式传感器技术正在向智能化方向发展,随着微处理器技术的不时进步。所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处置等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能,故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析、并能够对实际水位的电容量变化进行实时监控、自动校正;从而有效地解决了以往受寄生电容影响、导致电容式传感器准确性、稳定性、及可靠性差的技术难题,使电容式传感器所具有的分辨率高、调控能力强、不受水质水垢影响、无使用寿命周期等优点能在太阳能热水器的应用上得到充分体现,并可因此而赋予控制系统强大的功能,确保太阳能热水器在水量控制、水温显示、上水、辅助电加热等方面无限接近理想的智能模式,真正开启太阳能热水器家电化时代。 电容式传感器的呈现是传感器技术的一次重大突破和革命,勿容置疑的就像通讯行业中的数字式手机淘汰先前的模拟手机一样。也是今后太阳能热水器测控技术发展的肯定趋势 ! 上述就是到目前为止，我对传感器和电容式传感器的认识和了解。 刚拿到传感器课本时，我毫无概念;朋友问我“传感器是什么”时，我也答不出，我学电子专业的，可这都不懂，尴尬死了。现在我总算有点了解了，简单点说，传感器就是我们获取信息的其中一种途径。具体点说，所谓传感器，相当于我们的五官，通过敏感元件感受和采集所需的外界信息，再经传感元件将原始信息按某种 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 转换为相应电量，供测量电路检测转变为有用电信号，以达到检测、控制的目的，为人类所服务。原来，传感器就在我们身边，我们每天都可能用到它(视频遥控器、电饭煲、空调、电冰箱、人体感应开关等等)。众所周知，21世纪是信息技术的时代，而传感技术又是现代信息技术的三大支柱之一，缺之不可。传感器现已广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗、军用科研、航空航天、现代办公设备、智能建筑和家用电器等领域。真无法想象，如果没有了传感器，我们的生活会怎样...... 三:电容式传感器的优缺点 优点: (1) 结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造，精度高;可以做得很小，以实现某些特殊的测量， 电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等;能测超高压和低压差。 (2) 动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合于动态测量;可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如振动等。 (3) 分辨率高 由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001μm ，甚至更小的位移。 (4) 温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。 (5) 可实现非接触测量、具有平均效应 如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 缺点: 输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象;寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。 参考文献: 【1】金伟，齐世清，王建国.《现代检测技术》(第2版).北京邮电大学出版社，2006(9)， 【2】百度百科.网络 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 2011(11)， 【3】朱目成，《传感器技术》.1996 【4】吴建平.《传感器原理及应用》.机械工业出版社，2008.10