电容式传感器

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电容式传感器范文第1篇

关键词：电容式传感器；非线性误差；位移

引言

电容传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感器，具有结构简单，动态响应好，灵敏度高，能测量微小变化等优点。广泛应用于位移、速度、加速度等机械量精密测量。在实现运料车辆寻轨运行至指定位置，进行货料称重并完成卸载储存的智能化仓储管理系统中，利用电容式位移传感器实现位移检测，保障小车能够准确停靠，其调理电路的设计至关重要，本文对此进行了研究。

1智能仓储管理系统原理

智能化仓储管理系统采用单片机控制，结合应变片传感器、电容传感器、A/D转换模块、H桥PWM输出模块、放大电路等，构成运料小车，其原理框图如图1所示。图1中，应变片传感器完成称重功能，电容传感器检测位移，确定小车停靠位置。

2电容传感器信号调理电路设计

在本电容传感器信号调理电路设计中采用差动式电容传感器，调理电路设计中采用二极管不平衡环形电路，差动输出的电容量在调理电路中分别是Cx1和Cx2，其调理电路如图2所示。电容式传感器调理电路由与非门组成的多谐振荡器、LM324构成的放大电路以及二极管不平衡环形电路构成。图2中，U1A和U1B两个与非门之间经电容C1和C2耦合形成正反馈回路。合理选择反馈电阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在电压传输特性的转折区，这时，两个反相器都工作在放大区。由于电路完全对称，电容器的充放电时间常数相同，可产生对称的方波。改变R和C的值，可以改变输出振荡频率。方波经过LM324运放放大后，送给二极管不平衡环形电路。二极管不平衡环形电路中的Cx1和Cx2为电容传感器的两个差动输出的电容量，位移变化时，电容量发生变化。电容量的变化使得输出端电压含有直流分量，直流分量经过低通滤波后在输出端得到不同极性的直流电压。在系统中该直流电压大小对应位移的变化，从而实现位移的检测。二极管不平衡环形电路的设计如图3所示。图3中，Cx1和Cx2为差动式电容传感器的两个电容量，D4~D7为特性相同的4个二极管。与非门组成的多谐振荡器输出的方波经过放大后再经C4，L1隔离直流和低频干扰信号，在MO端的电压uMO为正、负半周对称的方波。在uMO正半周时，一路经D4对Cx1充电，另一路经D5对Cx2充电。在uMO负半周时，一路经D6对Cx2充电，另一路经D7对Cx1充电。若初始状态下Cx1=Cx2时，C5两端的电压uC5是对称的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是对称的矩形波，没有直流分量。当Cx1≠Cx2时，C5两端的uC5为正负半周不对称的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量经过L2和C6低通滤波后，在输出端得到不同极性的直流电压Uo。

3电容式传感器测位移实验

搭建电容式位移传感器调理电路的测试平台，随着位移的变化电容传感器电容量发生变化，从而调理电路输出电压UO发生变化，经过多次实验得到位移—输出电压的几组数据，如表1所示；对得到的数据计算平均值，结果如表2所示。采用端点直线法，以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线，两端误差为零，中间大。取端点（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.

4结论

针对电容式位移传感器设计的调理电路进行试验平台搭建和数据分析，采用端点直线法进行拟合计算出非线性误差仅为±0.27%，非线性误差很小，设计的调理电路在实际应用中有很大的实用价值，能够准确的测量微小变化的位移。

参考文献：

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电容式传感器范文第2篇

关键词：车辆载荷检测； 差动式电容传感器； STC89LE516AD芯片； 无线通信

中图分类号：TN712-34

文献标识码：A

文章编号：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

随着公路运输业和商业贸易的不断发展，车辆载荷检测技术已成为测量领域研究的重点。目前比较常用的车辆动态载荷检测传感器主要有弯板、压电轴、单传感器、车载电容传感器及光纤传感器［1-4］。这些载荷检测传感器多适用于固定式安装，对路面情况要求较高，即使一些便携式车辆载荷检测传感器也因为重量过重、体积过大的缺点无法真正实现便携测量。同时，一些传感器测量技术过于复杂，传感器价格过于昂贵。因此，为了减小安装和维护成本，提高车辆动态载荷检测系统的便携性，本文提出了一种电容式车辆载荷检测系统，该系统中载荷检测传感器采用差动式结构，大大提高了测量的灵敏度和非线性，电容测量线路采用差动脉冲宽度调制集成测量电路，数据的采集和处理采用自带A/D转换器的STC89LE516AD单片机芯片，数据通信采用无线通信模式。这种载荷检测系统结构简单，成本低廉，安装方便，差动式电容载荷传感器抗干扰能力强、动态响应好、测量范围宽、灵敏度高、稳定性能好。

1 差动式电容车辆载荷检测系统

差动式电容车辆载荷检测系统如图1所示。

图1 差动式电容车辆载荷检测系统组成框图

车辆载荷检测装置为便携式，使用时铺设在路面上。手持装置为测量系统控制单元，通过无线通信方式对检测装置发出指令和接收数据。载荷检测传感器采用差动式电容载荷传感器［5］，传感器将载荷的变化转变为电容值的变化。电容测量电路采用独特的差动脉冲宽度调制集成电路，将来自于差动式电容载荷传感器的极其微弱的电容信号采集出来，并转化成易于检测的电压信号。数据处理模块采用内部自带8路8位A/D转换器的电压输入型STC89LE516AD单片机芯片。数据处理模块对信号进行A/D转换、数据采集、数据处理，之后，将处理后的载荷结果输出。为了减少线路铺设的麻烦，增加工作人员的安全性，检测系统的数据通信采用无线通信装置。

2 差动式电容载荷传感器结构及工作原理

差动式电容载荷传感器结构示意图如图2所示。它主要由测量头、外壳、敏感元件(弹性体)、定极柱、动极柱、电极、等位环、引出线等构成。其特点为：测量范围宽；灵敏度高，便于拾取信号；极板间不接触、不变形、不磨损，机械损失小、寿命长；电容传感器受温度影响小；动态性能好；结构简单、适应各种恶劣环境和场合。

图2 差动式电容载荷传感器结构示意图

传感器的测量头和壳体为间隙配合，两者之间可相对滑动，并有定位螺钉定位测量头的初始位置，定位螺钉同时也起到测量头滑动时的定向作用，还可使施力物体保持相对稳定。测量头由敏感元件(弹性体)支撑，它受外力作用后把该力传给敏感元件。敏感元件(弹性体)位于测量头和壳体之间，起感受外力并按一定关系转化为机械位移量的作用。动、定极柱为中空圆柱型，其表面镀有电极。动极柱与测量头粘接为一体，随测量头一起滑动。定极柱与壳体粘接为一体，相对固定不动。在动、定极柱电极的两端均设有等位环，以减小电容边缘效应，提高测量精度。

当差动式电容载荷传感器受外力F作用时，测量头把该力传给敏感元件，敏感元件是弹性系数为k的弹性体，在该力作用下发生弹性变形，其变形量d与作用的外力成正比。敏感元件的变形使得测量头以及动极柱上的电极移动同样的距离d。此时，差动电容载荷传感器的电容值将产生相应的变化，其变化量为Δc，测量头移动的距离d与传感器输出电容的变化量Δc成正比。由此可知，被测物体所受外力F与差动式电容载荷传感器的输出电容变化量Δc成正比，即：F=kL2c0Δc(式中，k为敏感元件的弹性系数;L为动极柱与定极柱初始覆盖部分长度;c0为单个电容电极间的初始电容)。只要由测量电路检测出电容的变化量Δc，就可知物体所受的外力F。

3 电容测量电路

差动式电容载荷传感器是将被测载荷的变化转换为电容量的变化输出，而电容传感器所产生的电容量很微小，电容极板引线与地之间产生的杂散电容往往大于被测电容。因此小电容转换测量技术一直被人们所重视。然而，一般的检测电路结构比较复杂，精确度较低，不能满足测量要求。为了提高测量的灵敏度，针对差动式电容载荷传感器，在基于四相检测技术的电荷转移式电容检测电路［6］的基础上，设计采用了差动脉冲宽度调制集成测量电路［7］，该电路具有集成度高、实现了电容传感器头有源化、输出脉冲方波、省去高频激励信号源、功耗低、抗干扰能力强、分辨率高等特点，尤其适合差动式电容传感器的测量。其内部结构框图如图3所示，图中的虚线框内为差动式电容传感器的两个可变电容C1和C2。

图3 差动脉冲宽度调制集成电路内部结构框图

工作原理如下:设直流电源接通时，Q端为高电平，Q端为低电平，则信号控制单元使充放电网络1向电容C1充电，C1上电压渐升，一旦达到电路控制电平值，信号处理单元使Q端立即变为低电平，而Q端为高电平；此时，电容C1上的电压经充放电网络1迅速放电至零，同时信号控制单元使充放电网络2向电容C2充电，C2上电压渐升，一旦达到电路控制电平值，信号处理单元再次使Q端为高电平，Q端为低电平；于是又开始下一周期的C1充电C2放电，……，如此周而复始，在差动脉冲宽度调制集成电路的输出端各产生一串其宽度受C1和C2电容变化量控制的矩形方波。当C1=C2时，Q和Q端电压波形反相对称，从Q端与Q端取出的两个平均值电压之差将等于零。当被检测的载荷使电容C1>C2时，两输出端的电压平均值之差为：V0=ΔddV1 (其中V1为充电网络输入的电压值)，可获得较好的线性度。

4 数据采集与处理

数据的采集与处理单元采用自带A/D转换器的STC89LE516AD单片机芯片，完成数据采集、模数转换、数据处理以及驱动显示单元。当时钟在40 MHz以下时，每17个机器周期可完成一次A/D转换。STC89LE516AD单片机与差动脉冲宽度调制集成电路结合起来，完成电容传感器的检测。其主程序和A/D转换程序流程图如图4,图5所示。

图4 STC89LE516AD芯片主程序

图5 A/D转换子程序

5 数据通信

数据的传输采用无线通信模块。利用nRF401无线收发芯片和控制单片机89C52实现差动式电容车辆载荷检测系统中的无线通信，具有硬件电路简单、成本低廉、编程简便、通信可靠性高等优点［8］。无线通信技术在车辆载荷检测系统中的应用，使执法人员可以方便地通过手持仪器对公路车辆进行不停车载荷检测，大大提高了工作效率。

无线通信装置包括载荷检测装置和手持装置两部分。载荷检测装置接收手持装置的指令，向手持装置输送载荷结果，必要时向手持装置输送车辆类型、车牌号数据，进行误差校正；手持装置中超声波信号发射和数据接收装置向载荷检测装置发出指令，接收来自载荷检测装置的数据；单片机系统接收数据后送给显示装置，并可以与PC机建立数据联系；PC机形成局域网后，可以完成信息收集、显示、查询、检索以及数据分析统计、处理、存储等多项工作。

从图1中可以看出，载荷检测装置对车辆的载荷进行检测和处理，从单片机按照控制命令接收车辆的载荷检测装置的数据，与主机进行数据通信。图6为从单片机构成的显示及收发控制系统的硬件组成框图，主要包括采集与数据处理模块、看门狗、复位电路、电源监控电路、实时时钟电路、无线收发模块、控制单片机、信息输出单元等部分。控制单片机选用Atmel公司的89C52。

图6 从机显示及收发控制系统硬件结构框图

图1中的手持仪器为主机，主机的硬件结构框图如图7所示，由控制单片机、显示电路、看门狗、复位电路、电源监控电路、实时时钟电路、按键、无线收发模块，以及串行通信电路组成。

图7 主机硬件结构框图

当道路管理人员按动手持仪器的控制按键，要求读取数据，主机接到命令后，向从机发送命令，通过无线收发模块接收从机载荷数据，然后在手持仪器的显示屏幕上显示载荷信息和车辆有关信息，并且可以根据需要通过串口通信上传至道路管理部门的计算机。与从机相比，主机多了一个用来与计算机通信的串行口。此串口采用RS 232标准，可用MAX232芯片实现。

6 结 论

基于差动式电容传感器的车辆载荷检测系统，具有机械结构简单、性能可靠、测量电路简单、抗干扰性好、体积小、性价比高等特点。实际的试验测试结果表明，该车辆载荷检测系统对车辆进行动态载荷检测，车辆总载荷的测量误差在10%以内，其精度优于ASTM E131-02给出的Ⅰ类WIM(Weigh-in-Motion)系统精度 (置信95%时总重误差±10% ) ，可用于交通数据采集，尤其适合公路稽查人员进行便携式测量，具有良好的使用前景。

参考文献

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电容式传感器范文第3篇

声波是声音的传播形式。物体振动在空气中或在其他介质中的传播叫做声波。声波借助各种介质可以向四面八方传播。声波是一种纵波，它是弹性介质中传播着的压力振动。但是在固体中传播时，它也可以同时有纵波和横波。

声波可以理解为介质在偏离平衡态时的小扰动的传播。在这个传播过程中只有能量的传递，而不会发生质量的传递。如果扰动量比较小，那么声波的传递过程满足经典的波动方程，是线性波。如果扰动很大，那么声波的传递就不再满足线性的声波方程，会出现波的色散和激波。在本课题中，我们的研究对象是小扰动的传播，即满足经典波动方程的线性波。

2 声学传感器

声学传感器是一个可以接收声波并且能够把声信号转换成电测仪器能够识别的电信号的装置，从而使得不易被测量的声学量能够很容易被测出，也使得声波被人们更为广泛的研究和利用。

声学传感器的原理就是声电转换，即把不易测量的声音信号转换成为容易被电测仪器测出的电信号。目前应用最多的声学传感器主要有动圈式、压电陶瓷式和电容式三大类，其他类型的，如果细分的话，也都属于这三大类之中。下面一节中，会具体介绍这三种声学传感器的原理，在此不再赘述。

3 声学传感器的前置放大电路

声学传感器的前置放大电路，是一种专门为声学传感器的输出信号而设计的放大设备。通常，人们习惯将声学传感器的前置放大电路直接简称为“前置放大器”，专门用来处理电平较低、音质比较脆弱的声学传感器的输出信号。

由于声学传感器可以分为动圈式、压电陶瓷式、电容式等多种不同类型，且其输出的信号在电平和阻抗水平上也有很大的差别，因此，前置放大器在设计上也有很多种不同的造型和尺寸。我们在选择前置放大器时，除了要鉴别音质水平之外，还应该特别注意其在多种不同的应用条件下对信号一致性的保持能力。

市场上可以见到的前置放大器有很多，它们大致可以分为两类，一类是电子管前置放大器，另一类是晶体管前置放大器。由于数字音频信号是离散的信号，与连续的模拟音频信号相比，声音听起来有一些硬，电子管的特性就是可以呈现出温暖的音色，所以近年来选用电子管前置放大器的用户逐渐多起来，电子管前置放大器会使原来听起来比较生硬的数字声音变得温暖许多。当然，电子管前置放大器呈现的温暖音色特性不一定适合对所有声音的加工，要根据声音特点的不同或者个人的喜好来选择是否用电子管前置放大器。

4 三种声学传感器的原理

4.1 动圈式声学传感器的原理

电磁感应现象：闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，在电路中产生感应电流，我们把这种现象称为电磁感应现象，产生的电流就叫做感应电流。

动圈式声学传感器就是利用电磁感应现象制成的。如图1所示，当声波使最右边的膜片振动时，连接在膜片上面的线圈会随着膜片一起振动，而音圈的振动又是发生在永久磁铁的磁场里，其中就产生了感应电流，也就把声音信号转换成了电信号。其中产生的感应电流的大小和方向都在变化，变化的频率由声波振动的频率决定，变化的振幅由声波的振幅决定。

4.2 压电陶瓷式声学传感器的原理

压电效应是指一些电解质在受到某一个方向的外力作用发生形变时，由于内部电荷有极化现象，会在其表面产生出电荷的现象。

由于有压电效应，压电陶瓷能够直接将非电量转换为电量，同时，压电陶瓷的压电常数可以通过调整配方组成或者改变陶瓷片组合的方式而得到大幅度的提高，从而可有效的提高它的灵敏度。

压电陶瓷式声学传感器就是利用压电陶瓷片的压电效应，把应力转换为电压输出的装置，如图2所示。压电陶瓷片是其中关键的部件，从信号变换角度看，这里压电陶瓷片相当于一个电荷发生器。

压电陶瓷式声学传感器是由把外力传递给压电陶瓷的力学系统、压电陶瓷片以及将电荷传递给测量仪表的测量电路三个部分组成。其中，力学系统是用来安装和固定压电陶瓷的支架部分，由该部分直接和外界接触，当受到外力的作用时，支架和压电陶瓷一起发生形变。压电陶瓷由形变产生电荷输出，然后测量线路会把电荷变换为电压输出。

压电陶瓷式声学传感器的结构简单、体积小、质量轻、功耗小、寿命长，尤其是它具有很好的动态特性，因此非常适合有很宽频带的周期性作用力以及高速变化的冲击力。

4.3 电容式声学传感器的原理

电容式声学传感器是将被测的非电学量的变化转换为电容量变化的传感器。

电容式传感器是把被测量的机械量，例如位移、压力等转化为电容量变化的传感器。它的敏感部分是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行的电极组成、极板间以空气为介质的电容器。若忽略电容器的边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中的ε是极间介质的介电常数，S是两个极板互相覆盖的有效面积，d是两个极板之间的距离。d、S、ε三个参数中任意一个发生变化都会引起电容量的变化。因此电容式传感器可以分为极距变化型、介质变化型和面积变化型三类。其中，极距变化型电容式传感器通常用于测量微小的线位移或者由于力、压力、振动等引起的极距变化。介质变化型一般用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测量。面积变化型电容式传感器常用于测定角位移或者比较大的线位移。

电容式传感器范文第4篇

【关键词】油位检测；电容传感器；超声波传感器

0 引言

飞机燃油油量测量系统的、可靠性、精确度、灵敏度、维护性对整体飞机性能而言有着举足轻重的作用。其中，飞机燃油油位的测量是飞机燃油测量系统中很重要的一部分。据统计，燃油测量精度每提高1%，可以多载重200公斤。因此，提高飞机燃油油位测量的准确度，进一步提高油量的检测精确度，就成为了飞机燃油系统研究工作的重要方向。

本文根据将主要讨论常见的几种测量方法，并分析其原理，包括浮子电阻式、电容式以及超声波式等。最后，比较其优缺点，并探究适用于我国飞机燃油油位测量的有效方法，以及油位检测方法的发展趋势。

1 浮子电阻式油位测量方法

浮子电阻式油位测量方法通过安装在油箱内的浮子传感器，感受油箱中油面高度来测得飞机载油量。浮子传感器由可变电阻和浮子组成，当油面高度变化时，可变电阻值随之改变，这样，就将油面高度变化的非电量变化转换成电量变化，输入仪表线路，从而测得油箱中的油量，其原理简图如下图1所示。测量总油量时，传感器则需要使用多个，对称式电桥的一个桥臂由所有传感器内的电位器互相串联而成。

该测量方法存在以下问题：测量范围小，指示误差大，传感器极易损坏，体积大，安装调试不方便等。

2 电容式油位测量方法

电容式油位测量方法是现代航空领域最常用的方法，其基本原理是空气与燃油存在介电常数特性方面存在差值。将两个同心电极管垂直或接近垂直地安排在燃油箱内构成电容时，就利用了这一现象，如图2所示。

在真空状态下，圆柱形传感器的理论电容值由下述公式给出：

式中ε0为介电常数，H为传感器高度，r1为传感器内管的外半径，r2为传感器内管的内半径。如图3所示，当燃油介质的液面在电容式传感的两同心圆筒之间变化时，引起极板间介质的高度变化，因而导致电容变化，传感器的电容量如下式计算：

式中C为总电容，C1为气体部分电容，C2为燃油部分电容，ε0为空气介电常数，ε1为燃油介电常数。由上式可以看出总电容量与燃油液面高度呈线性关系，由于油箱曲线是已知的，所以测得燃油介质的液面高度，及可得到电容传感器的电容量，进而得到燃油箱内的剩余油量。该测量方法主要问题是由于电容整体要浸入燃油内，所以因为其体积的原因，影响了原始液面的高度。

3 超声波式油位测量方法

超声波测量依赖于声波能够在液体中传播并在该液体的界面处发生反射这一声学现象。测量中的关键在于声波在燃油中的传播速度与燃油的温度成反比，并且燃油类型不同而不同。超声波测量系统的基本原理为：

1）声波通过燃油时的传播速度可由声速计进行测量；

2）声音从发射换能器通过燃油向上传播到燃油界面，然后向下传播返回接收换能器的往返时间，可用传感器测量。

3.1 超声波传感器的工作原理

超声波液位测量，是基于超声波在声阻抗率不同的媒介分界面上产生反射的特性。由超声波换能器发出的超声波在液体与气体的分界面发生反射，产生回波被换能器接接收，依据换能器发射超声波到再次接收到超声波所历经的时间可测出液位。超声传感器相对于电容传感器具有结构简单、测量精度高、测量稳定性好、抗干扰能力强等优点。如图4所示，为超声波声速计和超声波传感器的工作原理图，此处声速计利用一固定目标体起到一个声速校准的作用，而传感器则用于测量油箱内的燃油高度。

图5给出的时间曲线，表明采用这种布局如何可以获得燃油油面高度，参数定义如下：

TT为目标体的往返时间，TS为至油面的往返时间，D为至目标体的已知距离，L为至油面的未知距离。

通过下列公式，可由声速计导出燃油内的声速VOS，即：

VOS=2D/TT

同样，如下公式可以确定至油面的未知距离L，即：

L=VOS・（TS/2）

由上面两个公式，我们可以得到油面高度，即：

L=D（TS/TT）

超声波燃油测量方法主要存在的问题是这种技术不能通过测量无油空间的超声波的往返时间，声波在介质中传播会发生衰减，飞机处于爬升姿态时会产生气泡，影响测量。

3.2 超声波传感器的设计

如图6所示，超声波传感器由下端的换能器组件构成，并附带一个垂直固定在其上的稳定筒，传感器可由金属或者复合材料构成。对于某个给定位置，传感器的整个长度与等效的电容式传感器相同，除非留出必要的安装间隙。

换能器组件带有压电陶瓷盘器件，起到收发器的作用，产生并接收超声波。换能器组件由共振盘和电阻放电网组成，后者直接安装在此盘上，以便安全地消散由于温度或机械冲击、机械迷宫或者气泡等累积的任何非正常能量。

稳定筒的用途是准直换能器所发生和接收的声波，并提供一个进行测量的“受保护区”。稳定筒保护测量，避免出现不利现象，例如燃油晃动或大个气泡。稳定筒和换能器组件的设计必须使燃油可方便地进入稳定筒，以使得油位跟随稳定筒外面的燃油，但防止在使用中可能产生的湍流引起的大个气泡进入。在换能器组件内纳入迷宫式隔声板，可达到此目的。最后，下部安装支架应固定到防气泡罩上，上部可移动以及阻尼器，位于定位筒上。

4 结论

根据以上对各个检测方法的研究和分析，结合国内油位传感器的发展现状，未来的商用飞机应当采用电容式油位测量方法较为妥当。

国外的技术领先国内至少20年，在积极推进油位检测的发展方面，B777客机和F-22猛禽战机已经使用了超声波式油位测量方法，并取得了一定的成功。然而，我们可以看到，在最新的机型，例如波音B787梦想飞机和空客A380，以及新的超宽体机A350中全部将电容式测量作为燃油油位测量的首选技术。

究其原因，一是超声波技术的优势尚未得到充分的体现，二是燃油测量需要极高的可靠性，因为必须进入燃油箱进行维护，成本很高，三是电容式油位测量技术已经被应用多年，业界一直以其为基础来制造整个燃油测量系统。因此，对于新技术的应用，一直处于保守状态，难以取代陈旧的电容式测量法，尽管其存在电缆束连通性和水污染有关的使用问题。

对于未来油位检测技术的发展，按作者的观点，超声波式油位测量法会被广泛应用，因为技术总是会有反复推进的过程，等待技术成熟后，相信非接触式的超声波会以其明显的优势占据一席之地。未来最具发展前景的技术将是使用光和微机电技术（MEMS）的一种组合，MEMS装置可能会设计成通过光纤受光激励时，测量压力、温度、密度和加速度等传感器。因为MEMS传感器尺寸小，适合于埋置在复合材料结构内，因此这是能可靠的在不利环境下工作的，并满足当前严格条例要求的理想后续技术。

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电容式传感器范文第5篇

关键词：加速度　差容式　力平衡　传感器

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