电容式传感器范文

电容式传感器篇1

关键词：界面探测器;电容传感器;信号调理;型式认可

根据国际海上环境保护委员会1980年6月13日通过的MEPC.5(XⅢ)决议要求：为快速和准确地测定污油水舱的油水界面，必须在油船上安装主管机关所批准的有效的油水界面探测器，在油水分离受影响的和打算把水直接排到海里去的各舱均应该采用这种探测器。为填补国内本项空白，研制本UIT油水界面探测器。

一、概述

油水界面探测器具备如下功能：

1. 油水界面探测器可探测气油界面、油水界面的位置。测量探头所处位置的介质（气体、油或水）温度。

2．采用系统“自学习”校正设计方案简化了生产工艺，并提高气油界面、油水界面的位置测量精度及介质温度精度。

3．数字式液面数据处理显示仪表可对系统测量精度进行校正，数据处理，显示、报讯。

4．利用液晶显示器显示各种校正或测量提示信息、测量数值及状态信息。

油水界面探测器由微处理器液面/温度传感器、数字式液面数据处理显示仪表及绝缘卷尺组成。

图1 油水界面探测器的系统组成图

图1中所示, 带微处理器液面/温度传感器主要由电容传感器、温度传感器、测量信号调理电路、放大器、带A/D转换器器的微处理器、串行接口及微型开关电源（图中未示出）组成；数字式液面数据处理显示仪表由串行接口、微处理器、液晶显示屏、Flash存储器及微型开关电源（图中未示出）等组成。

本探测器较之其他现有液位、液面测量仪表，具备以下特长：

1、用高性能的电容量测量及调理集成电路,提高测量精度，而且不受周围环境的影响。

2、用系统“自学习”校正校准方案，提高测量准确性。

3、用双CPU组成测试系统,以数字形式进行传输,提高仪表的可靠性。

传感器配备微处理器对信号进行预处理后,以数字形式进行传输。

主机的微处理器接收到数字信号,进行后处理后再显示和报讯。

4、在传感器中已配备温度传感器以测量温度,同时只需增加极少的硬件开支，如，压力式液位传感器测量液体深度，以实现多参数的同时测量。

5、采用微型高效率开关电源集成电路,提高干电池的电源利用效率。

6、液面传感器可以有继电器输出控制型和串行数据输出型，作为付产品“液位开关”。

二、液面测量原理

本设计的油水界面探测器采用电容传感器作为探头。根据不同介质的相对介电系数不同而引起电容变化的原理以测量介质的界面。假设电容器为两平板结构，作绝缘处理后的电容器两极间浸入不同的介质中，由于电容器极板中的介质相对介电系数不同，电容量是不同的；而当电容器两极板处在两不同介质的界面处，当液体介质的液面发生变化，也将导致电容器的电容量也发生变化。作为界面探测器其重点是后者，即检测电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容量变化情况。

电容传感器极板处在大气中、浸入不同液体或浸入不同液体深度不同，其电容量的变化，本设计采用专用的信号调理电路把电容量转换比例电压输出。在大气中相对介电常数为1，电容传感器的电容量为C0，经调理转换后输出电压为V0，在油品中相对介电常数变大，在水中相对介电常数更大，电容传感器的电容量将随着浸入不同液体深度加大而变大，经调理转换后输出电压也将随之变大。这电压信号再经放大器放大和A/D转换，得到不同的A/D值。A/D值的大小表明传感电容器所处的介质或淹没入油、水介质的深度。

本油水界面探测器采用两通道A/D转换器，其中一通道用于测量传感电容传感器的输出电压，另一通道用于温度信号的测量。微处理器控制数据的采集并进行数据预处理后，以数字形式用一定格式通过串行接口把两个数据传送往显示仪表。

在油水界面探测器中，液面传感器的关键器件是电容信号调理电路CAV414。CAV414是一种专为电容传感器而设计的通用性强、多用途集成电路，该芯片内包含有完整的信号处理单元。（见图2）CAV414芯片内含基准振荡器，其振荡频率可由基准振荡电容Cosc和Rosc来调整，基准振荡器驱动2个同步积分器，而在电阻（Rcx1+W0）和Rcx2值相同时，电容Cx1和（Cx2+Cx）则决定2个被驱动的积分器的积分电压幅度，即积分器的积分电压幅度差别反映了电容Cx1和（Cx2+Cx）的相对容量差。CAV414具有很高的共模抑制比和分辩率。它的差分信号端可由低通滤波器来进行处理和限定，而低通滤波器的角频率和增益也由几个外接元器件来调节，输出信号幅度也可由内部放大器进行预放大，放大倍数可由RL1/RL2及R1/R2确定。

用CAV414来测量电容，其电路如图二所示，图2中，Cx为电容传感器，其值很小，应用中可将电容传感器置在大气中，Cx的电容量恒定，调节电位器W1，使（Rcx1+W0）和Rcx2，在电容Cx1和（Cx2+Cx）的初始值时使Vout输出0电压。那么，当电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容Cx变化情况，使输出电压Vout发生变化。其从小到大变化规律是：

电容传感器(1)在大气中——>(2)逐步浸入油品，越浸越深——>(3)全部浸入油品中——>(4)逐步浸入水中，越浸越深——>(5)全部浸入水中。在这过程中，Cx的电容量逐步变大，其经信号调理、放大、A/D转换的数值也逐步变大，不难用A/D转换值区别电容传感器以上五个位置。位置(2)即气油界面、位置(4)即油水界面，这是界面探测器测定重点，可以将位置(2)和位置(4)中的特定传感器浸入深度线的A/D值存储，用数字比较法比较电容传感器浸入该液体是否超过该特定浸入线，便可确定气油界面或油水界面。

电容式传感器篇2

【关键词】电容传感器 智能手机 触屏 等效电路

1 结构及检测原理

1.1 智能手机屏幕的结构

如图1，最上层为电路保护层，通常为透光性好的玻璃，最下方为LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示屏，由于液晶显示屏工作时常产生噪音，故在液晶显示屏与感测层之间存在防干扰层，保护层与防干扰层之间为两个内容相同的核心感测层，这种感测层一般是由一种透明的导电材料制备的，比如真空淀积的锢锡氧化物(Indium-Tin-Oxide,ITO)，感测层通过改变电容值用来响应手指的靠近，其中一层用来确定X方向的位置，另一层确定Y方向，两个感测层使得电路得到两个坐标，进而在二维平面上确定触碰点。

1.2 感测层(ITO)形状以及感测原理

1.2.1形状

如图2，菱形为ITO电极设计的一种常见图案，其最早见于1980年代初，菱形图案可对暴露在手指触摸区域下的电极表面进行优化，同时把X和Y方向电极轨迹的交叉面积降至最小。这些电极的密度越高，触摸的分辨率也越高。当采用菱形图案时，对角线长通常控制在 4 到 6 毫米。电极最终通过光刻、蚀刻工艺形成多个水平和垂直方向的感应电极和驱动电极。

1.2.2感测原理

通常使用交互电容法进行对触电的探测，交互电容法以行列之间的电极耦合为初始条件，当用户触摸屏幕表面时，自身的静电会影响这个耦合电容的值，如图3，当驱动某一行电极时，感应芯片会依次扫描每一根列电极，测出每根列电极与该行电极交叉点处的交互电容。通过计算交互电容的变化值就可以确定每一个手指触摸的精确位置。

2 感应区电容工作原理

电容式传感器实现触摸点定位的工作原理中最主要的是获得每个触摸点所独有的坐标，获得此坐标的方法被称为坐标定位法，从宏观角度分析，电容触摸屏可以等效为一个由电阻组成的电路，根据等效电路可以对电容触摸屏的原理进行分析。下面以坐标与电流信号之间的关系来阐述电容传感器捕捉触点坐标的原理。

对于一维平面触摸屏，通常有两种模式：一种是从四个边引出触摸电流，另一种是从四个角引出触摸电流，其中从四角引出触摸电流的方式，坐标定位的换算方式更为复杂。本文以从四边引出电流的模式为代表性的实例，简要介绍电路工作的情况。如图4所示。

其中矩形为整个电容屏的等效形状，中间相叠的环形为触点位置，整个平面的坐标系以I1、I3交点处为零坐标，I1、I2、I3、I4为四边检测到的电流值，在捕捉触点时，给电路一个高频电压源，四边的电流与X0坐标间的定位方程为：

X0=L1* ；

坐标值可以用电流值的比例来表示，这个结果容易让人联想到电流大小与坐标呈正比例的关系，这可以由等效电路来解释，如图5所示。

其中最上方的电阻丝为整个电容屏在X方向上的等效，T为触点，r1与r2分别为触点左右两边电阻丝的电阻值，i1、i2为电流，ε1、ε2为电源的电压，Z为人体电阻，根据此电路由戴维宁定理可得：

ε1+ i1r1+(i1+i2)z=0

ε2+i2r2+(i1+i2)z=0

两式相减，并由r2=R-r1，并取ε1=ε2

显然可以得到R与任意一个r之间的比例关系与电流的比例之间的对应关系即r1/R=i1(i1+i2)，同时从硬件上又知道对于一个组成均匀的电阻丝来说，阻值与长度成正比即r/R=Xo/L故可得到:

Xo=L*i2/(i1+i2)

同理可得Yo，从两者的坐标算法可以看出，微观与宏观上是一致的，只需要在计算横坐标时在宏观上把坐标所在行看做微观中的电阻丝。

3 结束语

投射式电容屏传感器技术已经相当成熟，任何一个智能手机的开发人员选项中都有能使屏幕坐标可视的功能，人们可以看到智能手机屏幕工作的坐标。智能手机作为便携式设备深入到人们生活之中，有着巨大的发展前景。

参考文献

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[3]陈松生.投射式电容触摸屏探究[D].江苏省:苏州大学,2011.

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[5]郑寿云.电容与电阻的平面图和方程电容触摸屏的研究[D].广东省:汕头大学,2009.

作者单位

电容式传感器篇3

关键词：电磁式电压互感器；电容式电压互感器；电压互感器；D-dot传感器；非接触测量

中图分类号：TM451.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）14-0020-03

目前，智能电网技术快速发展，其已成为全球能源发展和变革中的重大研究课题，其中各类电信号的测量技术及其传感器是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础，也是智能电网发展的关键。电压互感器的准确性、可靠性、便利性和快速性是电能计量和继电保护、电力系统监测诊断、电力系统故障分析中的关键技术要求。

电磁式电压互感器（Potential Transformer，PT）和电容式电压互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）在电力系统中广泛应用。虽然电网中普遍使用的电容式电压互感器和电磁式电流互感器的技术成熟，而且拥有长期的运行维护经验，但它们的测量线性度较差、瞬变响应速度较慢，且电磁式电流互感器的瞬态误差特性也不理想。

传统的电磁式电压互感器存重量大和体积大的特点，而且随着特超高压电网的发展，其绝缘强度要求难度越来越大，同时由于具有铁芯，可能导致发生铁磁谐振过电压和由铁磁饱和带来的动态范围变小等缺点，已经越来越不适应当前智能化电网的发展趋势。

与电磁式电压互感器相比，电容式电压互感器具有更多的优点，其分压结构可以提高互感器的动态范围，使其更容易提高绝缘强度。但该互感器不能够及时跟踪电压变化，不能满足继保系统中的要求，而且该互感器能够捕捉到高频的过电压波形，也不能满足电力系统故障诊断与在线监测要求，而电容式电压互感器中耦合电容、补偿电抗器以及中间变压器等内部储能元件构成的RLC电路会使得电容式互感器的暂态特性会变差，使得当一次系统发生如电压跌落故障时，电容式电压互感器的输出并不能立即跟随一次侧输入变化，并且在高频过电压下，二次侧输出可能发生由铁磁谐振导致的高频振荡，无法反映一次侧输入波形。在一些不易进行直接测量的场合，如对高压套管、被绝缘层包裹的变压器绕组接头处等进行测量时，电磁式电压互感器和电容式电压互感器的使用也具受到了限制。

1 D-dot传感器测量

3 结 语

D-dot传感器是一种电场耦合的传感器，工作原理上与通过传递能量实现测量的PT和CVT有所不同，可以实现无接触测量，其结构简单、具有较大的测量带宽和动态范围、能够抑制非线性负载的感应电压过冲，为克服上述问题提供了新的途径。但是传统的D-dot传感器由于传递函数限制与积分器、衰减器的使用，其工频与高频响应会存在幅值与相位误差的同时也存在传感器体积与绝缘强度之间的矛盾，限制了其作为电力互感器的使用。通过分析D-dot传感器的工作原理及其影响因素，指出一种通过差动输入和多重电极并联的方式被引入以使互感器工作于自积分模式，使其能够作为无接触式电子式电压互感器应用于电力系统电压测量领域，具有结构简单、便捷的特点，理论上分析其在额定电压范围内线性拟合较高，而且具有很高的动态范围，幅值与相位误差能够达到计量要求，能够快速反应暂态电压变化，是未来的发展方向。

参考文献：

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[10] 文阎成，金涛，谭文林，等.暂态电场原理计算电阻分压器的方

电容式传感器篇4

【关键词】电容式;电压互感器;外推法;现场检定

1.引言

随着电力系统输电容量的不断扩大，电网电压等级逐步提高，进行现场校验需用串联或并联谐振升压的测试方法，需要配置升压装置（升压变压器、调谐电感、调谐电容）、测差回路（标准电压互感器、校验仪、电压负载箱）一次及二次导线等设备，测试接线复杂、所需的设备种类繁多、笨重，搬运困难，现场安装不仅费时费力，且存在安全隐患。由于电容式电压互感器（CVT）容性负载大（最大可达几万Pf），所需试验变压器和电源的容量大、电压等级高，故用传统的现场检定试验非常困难，有时甚至无法进行现场校验。所以提出CVT误差现场便携测试装置不需要体积庞大的升压装置、不需要高等级的电压互感器标准、不需要负荷箱等，即可完成现场快速测试CVT的误差测试工作。

2.传统的检定方法

2.1 检定方法

传统的电容互感器检定是高端测差法，电压标准器需要比被检互感器高两个等级或以上的准确度的标准互感器、校验仪、升压装置谐振器、电压负载箱和相应的一次及二次测试线。如图1所示。

图1 高端测差法

2.2 现场设备的要求

在现场进行电容式电压互感器的检定时，由于现场使用的互感器电压体积较大，除互感器校验仪、电压负荷箱与实验室使用的设备基本相同外，标准电压互感器的体积及重量都比较大，而且被测互感器安装在比较高的位置，而且电容式互感器的一次电压值都≥110KV。和其它仪器所连接的一次、二次线都比较长（一次极性端A的线必须是硬线），无意中增加了不确定的负载，因此要求电源的容量、电抗器及标准电压互感器的容量都很大，通常传统校验现场电容式电压互感器的设备的总体重量都非常大。

2.3 传统设备的优点和缺点

用这种传统的测试方法，符合国家计量检定规程的规定，检定数据有效可靠。在现场条件允许的情况下，还广范的采用这种方法。传统方法的缺点是：由于现场电压大、容量高。通常110KV以上的电容式电压互感器一次升不到额定电压值。按照检定电力互感器规程要求，互感器的检测点为80%、100%、120%（115%）额定电压，因此用这种方法只能检定部分测试点。此外，现场检测需要无电状态下测试，接线时间长，并且被测互感器大都安装在高处，在现场需要梯子及吊车的配合才能完成接线及拆线。费大量的人力物力，而且不一定能顺利的完成测试。

用这种检定方法检定一台互感器最快也要1个多小时，需要求停电的时间长，对电力系统的影响比较大。

目前用这种方法检定现场电压互感器对大多数互感器由于上述原因根本无法进行检定，直接影响计量的可靠性、准确性。

3.新型互感器校验装置的检定法

3.1 新型互感器现场检定装置

电容式电压互感器现场检定装置，是一种间接法即外推法的便携式检定装置，可以检定35～500KV的0.2级和0.5级电容式电压互感器。

3.2 新型互感器的工作原理

电容式电压互感器的原理线路如图2所示。图中C1和C2为分压电容器，L为电抗器，PT为电磁式电压互感器。一次电压由AN输入，二次电压分别由1n -1a、2n -2a和da-dn绕组输出。

图2 电容式电压互感器原理线路

在电容式电压互感器中，电容分压是线性的，负荷误差也是线性的，只有电磁式电压互感器的空载误差是非线性的。因此，可以在低压2.2kV下测得电容式电压互感器的空载误差、负荷误差，再通过测二次励磁导纳外推得到80%、100%和120%（115%）额定电压下的空载误差，就可最后得到电容式电压互感器在额定负荷和下限负荷80%、100%和120%（115%）额定电压下的误差。

但是电磁式电压互感器的一次串联有电容器C2和电抗器L，在50Hz下，一次回路的容抗和感抗产生谐振，需要通过变频才能测得二次励磁导纳，并由导纳差外推得到80%、100%和120%（115%）额定电压下的空载误差。

3.3 设备的优点

新型电容式电压互感器检定装置可以检定35KV～500KV的0.2级和0.5级电容式电压互感器。装置体积小;重量轻，接线方便。通常检定一台互感器不超过10分钟，并且只需两个人即可轻松的完成互感器误差测试工作。接线如图3所示：

图3 装置的接线

3.4 存在问题

由于这种检定方法目前国家还没有相应的检定规程出来，所以目前只能采用比对法。

4.用传统法和外推法的数据比对

在山南地区藏木水电站现场用该测试装置和用传统谐振升压方法对同一式品型号为：TYD110√3-0.02GH，一次电压为：110√3KV，二次电压为：100√3V，额定负荷为：50VA.准确等级为：0.2.进行数据比对，结果如表1所示。

从表1测试数据可以看出：用外推法测试的误差数据和用传统方法测试的误差进行对，最大比值差误差为0.043%，相位差误差为：1.3′均未超过0.2级误差限值的1/3，满足要求。

5.结束语

现场电容式电压互感器的准确测量对于电力部门电能的准确计量具有重要的意义。以往由于测试方法和设备的限制，使现场许多电容式电压互感器检定不能按照检定规程进行周期检定。随着计量技术的发展，现场检定电容式互感器检定装置符合计量的检定要求。大大的提高了现场计量的人力、物力。并且通过大量的现场试验，证明该装置能够更加有效、准确的进行现场电容式互感器的误差测试工作。

参考文献

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电容式传感器篇5

【关键词】 信息 传感器组成 应用 发展

1 传感器的构成

国家标准（GB7665-2005）中，传感器（Transducer/Sensor）的定义为：传感器就是能感受（响应）规定的被测量，并按一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。又称变能器、交换器、变送器、探测器。传感器通常由敏感元件、传感元件、测量电路及辅助电源组成。如图1所示。

图1 传感器的组成示意框图

被测量的可以是电量也可以是非电量，电量的种类很多，如电压、电荷量、电阻、电容、电感等；非电量是指除电量之外的参数，如压力、流量、位移、质量、速度、加速度、温度、浓度及酸碱度等。人们对物质和事物本质的认识，主要是通过检测各种非电量来实现的。敏感元件是指传感器中直接感受或响应被测量的部分；传感元件是指传感器中能将敏感元件的输出信号转换为适于传输和测量的电信号部分；测量电路就是把传感元件输送的电信号变换为便于处理、记录、显示和控制的形式；经常使用的测量电路有放大器、电桥、振荡电路等。

2 传感器的应用

传感器技术是一项知识密集型技术，所涉及的知识非常广泛，与许多学科都有关系。传感器种类很多，也决定了传感器的应用非常广泛。但是，目前对传感器的分类还没有统一的分类方法，我们就按被测物理量的分类方法简单描述各种传感器的应用。

2.1 力传感器。力是物理基本量之一，因此各种动态、静态力的大小的测量十分重要。力的测量应用极为广泛，通过测量力还可以间接测量其他参数，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。例如，海洋探测、登山高度、医疗方面的血压计、呼吸机、脉搏器；航天方面的飞行高度、速度；计量方面的电子秤、电子天平等。常见的力传感器有压电式传感器、电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、扭矩传感器、压力传感器和加速度传感器等。压电式传感器是一种会发电型的传感器，具有体积小、质量轻、工作频带宽、灵敏度和测量精度高等特点，又由于其内部没有运动部件，所以，其结构坚固，可靠性和稳定性高，是生活生产中比较常用的一种传感器。例如，电阻应变式传感器结构简单，使用方便；易于实现自动化，动态响应好，远距离测量、遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。电容式传感器结构简单，价格便宜，输入量小而灵敏度高，工作可靠，并能在高温、辐射、强烈震动等恶劣条件下工作。

2.2 温度传感器。温度反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。温度是与人类生活息息相关的物理量，人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。常用的温度传感器有电阻式、热膨胀式、热电偶、辐射式温度传感器；接触式和非接触式；分离式、模拟集成式等。温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。

2.3 光电式传感器。光电式传感器是一种基于光电效应的传感器。光电式传感器在受到光照射后，即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。光电式传感器的测量方法灵活多样，除了能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等特性测量多种物理量。光电式传感器测量时不与被测对象直接接触，不存在摩擦作用，光速的质量又近似为零，对被测对象几乎不施加压力，并且具有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快等一系列优点，因而，在许多场合，光电式传感器比其他传感器具有明显的优越性。而且随着激光、光栅、光导纤维器件的相继问世，光电传感器更是一种应用极为广泛的重要敏感器件。

电容式传感器篇6

传感器是一种将非电信号转换为电信号的器件，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，在工农业生产以及人们日常生活中具有广泛的应用。目前《传感器原理及应用》课程已经成为高等院校电子及自动控制类专业的一门必修课，日益受到教师和学生的重视，尤其是将传感器与单片机等课程相结合便可设计制作出一些简单而实用的智能测控系统，更是激发了很多学生的学习兴趣，并进一步提高了他们的动手能力，因而搞好传感器的教学工作具有重要的现实意义。

2.传感器的理论教学研究

2.1 精选教学内容

传感器种类繁多，原理也各不相同，在讲授的时候，不可能全讲，但对经典类型的传感器或者常用传感器的讲解是必不可少的。如果按照原理来划分，常用传感器可分为电阻式、电容式、电感式、热电式、光电式、磁电式等几个大类。不管哪种类型的传感器，其结构大致可分为三个部分，分别是：敏感元件、转换元件，转换电路。对于同一类型的传感器来说，如果功能不同，那么其所对应的敏感元件可能会随之变化，但其转换元件、转换电路则可能是相同的。故而在讲授的时候可以详细地分析某一类传感器的工作原理，敏感元件的选取，转换元件及转换电路的设计，以及对温度误差的修正等等，之后举一反三，对其他种类的传感器也按照这种模式来讲解。比喻说我们将电阻应变式传感器作为精讲的对象，首先它的敏感元件为弹性体，转换元件为电阻应变计，转换电路则是一个电桥，另外为了克服温度误差，可以选用多片应变计构成温度补偿电桥，这样既可以补偿温度误差，又可以提高检测灵敏度。之后在学习电容传感器、电感传感器的时候，就可以以电阻传感器为例，按照前面的逻辑顺序展开，由敏感元件到转换元件，再到转换电路，最后再到对误差的修正补偿等等。这样做重点突出，繁简适当，既提高了效率，也有利于学生理解。

经典类型的传感器很多都是上世纪六七十年代的产品，有些已不能满足现在生产实践的需要，学生在学习中也表现不出太高的兴趣。因而必须扩展一些新的内容，将现实生活中，经常用到的新颖的传感器展现给学生，以提高传感器课程的实用性，并激发学生的探索欲望。比喻目前应用较广的PVDF压电薄膜传感器，霍尔式传感器，还有生物传感器和智能传感器等等，这些传感器不仅应用广泛，而且采用了当前新开发的传感材料或者是先进的微电子技术，代表了传感器今后的发展方向。

2.2 改进教学方法和手段

2.2.1 多媒体教学

多媒体教学具有信息量大、直观易懂的特点，可以大大提高课堂教学的效率。传感器课程当中含有大量的原理图，电路图，利用多媒体教学可以有效节约时间，扩大课堂容量。特别的可以利用多媒体的图片和动画，来形象的展示传感器的物理结构和工作过程，这样不仅能使教学过程更加生动，还能调动学生的学习兴趣，增强教学效果。

2.2.2 讨论式教学

传感器种类虽多，但从结构来讲主要就是三个部分，敏感元件、转换元件及转换电路，如果每一个章节都这样讲解会让学生感觉单调乏味。在教学实践当中，可以利用四到六个课时进行讨论式教学，让学生分组讨论某种传感器的工作原理、结构以及转换电路的设计，如何克服温度误差，在现实生活中的应用，尤其是哪些系统中用到了这种传感器等等，这样既可以调动学生的学习积极性，又可以激发他们的探索欲望。

2.2.3 项目式教学

项目式教学法指的是学生在教师的指导下亲自处理一个项目的全过程，在这一过程中学习掌握教学计划内的教学内容。因为传感器与单片机相结合，可以构成智能测控系统，所以在教学当中，教师可以设置一个课题项目，让学生单独或者分组逐步完成，当然完成这一项目大部分要利用课余时间，一旦完成这一项目，那么关于传感器的内容就会非常清楚了。例如可以让学生设计一个体重计，来检测一个两百千克以内的重量，要求使用电阻应变传感器，那么这个项目在设计的时候就需要处理好这样一些环节，选择应变计，设计合适的弹性体，设计转换电路，对转换以后的电信号放大，再将模拟信号转换为数字信号，利用单片机将数字信号处理后由显示屏显示结果。

3.传感器实验教学研究

传感器是能感受规定的被测量，并将输入的非电信号转换为电信号输出的一类器件。那么传感器实验主要就是验证转化以后的输出和输入的一个对应关系，因而传感器实验教学中的大部分实验项目都是验证性的。验证性实验能够直观的演示某种传感器的工作原理，对理论教学可以起到一个很好的巩固作用。例如电阻应变式传感器的测力实验，热电偶的温度检测实验，电容传感器的位移检测实验等等，这些都是验证性实验。

然而要培养学生的动手能力和创造性，仅有验证性实验是远远不够的，这就需要我们能够利用现有实验平台，做出更多的设计性实验。在此我们可以结合CSY-998型传感器系统实验仪来说明。利用该实验仪可以做实验项目《霍尔式传感器的特性――直流激励》，该实验中霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。其原理如图1所示。

图1 霍尔传感器直流激励原理图

调节测微头与振动台吸合，并使霍尔片置于半圆磁钢正中位置，再调节滑动变阻器使得电压表显示为零。工作以后霍尔片可以随着振动台上下移动，因为霍尔片的移动，从而导致其外部磁场的大小产生变化，进而导致霍尔电势产生相应变化，变化结果可以通过电压表显示。这个实验是一个验证实验，但是我们可以作一些改进，利用这个实验原理来检测压力或者加速度，也就是通过压力或者惯性力让霍尔片产生一个相应的上移或者下移，这种移动的大小又可以利用电压表的输出来观察。那么这个实验就是利用现有平台，经改进以后用来做设计性实验的一个典型例子。实验室中，能够经该进而做设计性实验的平台还有很多。

4.结束语

电容式传感器篇7

灵敏度

电容传感器的灵敏度是由其物理结构、测量电容的方法和精确比较电容相对于接触门限电平变化的能力而决定的。采用传统印制电路板(PCB)方法制造的电容传感器的测量范围通常为1～20pF,因而很难准确地检测微小变化。虽然有几种测量这些电容微小值的方法,但采用16位电容/数字转换器(CDC)的高精密测量方法仍然具有明显的优势。

基于PCB设计的电容传感器

制作在标准印制电路板或挠性印制电路上的电容传感器都使用了相同的铜材料来做信号线。在这两种情况下,传感器的最大灵敏度都由传感器的物理尺寸、电介质常数以及覆膜厚度所决定。例如,带有5mm塑料覆膜的3mm厚传感器不如带有2mm塑料覆膜的6mm厚传感器灵敏。

我们的目标是开发具有正确响应并且满足人体工学要求的电容传感器。在某些应用中,传感器可能会很小,从而使用户接触面上产生微小的电容变化。

图1和图2显示了在印制电路板上设计电容传感器的两种常用方法。图中给出了在用户接触期间施加激励信号时传感器的响应特性。虽然根据用户接触方式的变化,传感器电容会有所不同,但是传感器的性能在这两种情况下相差不大。

激励电容传感器

如图1所示,连续的250kHz方波激励信号施加在传感器的SRC端,以在电容传感器内建立电场。激励信号在传感器中建立电场后,该电场会部分地延伸出塑料覆膜,ClN端连接到CDC上。

图2所示为另外一种电容传感器设计案例,其将一个恒流源加到传感器的A端,而将B端接地。当用户触摸传感器时会增加额外的手指电容,从而增加了充电周期内RC的上升时间。

测量电容传感器并且检测传感器接触面积

图3显示了一种测量电容的传统方法。恒流源不断地为电容传感器充电,以使其达到比较器的参考门限电平。当电容传感器达到参考门限值时,比较器将输出高电平脉冲,然后闭合开关,电容器放电并且复位计数器。灵敏度门限电平如图4所示。

要确定何时用户开始接触传感器,需要计数器对电容传感器充电到比较器参考电平所经历的时钟周期数

进行计数,并将这个值与预置门限检测设置值比较。例如,计数为50表明传感器有接触,而小于50则表明没有接触。在本例中,当用户接触传感器时,其准确度和精密度与参考时钟的频率和驱动各种电容传感器的电流源的重复性有关。

图5所示是一种较理想的测量电容方法,它使用了高分辨率16位ADC和250kHz的激励源。激励源不断产生250kHz的方波,从而在电容传感器中产生电场以及能够穿透覆盖材料的磁通量。无论用户何时接触传感器,精密

16位ADC都能以lfF测量分辨率来检测。其无须外部控制元件并且自动校准,所以可确保不会发生由于温度或湿度变化引起虚假接触。

一旦将电容传感器的输出数字化后,就可以通过设置相应的16位寄存器来设置每个传感器的具体检测门限电子。门限电平可以设置在传感器满偏(F.S.)输出值的25%～95.32%之间。AD7142灵敏度门限电平的设置如图6所示。

电容式传感器篇8

关键词：水电站；非电量；传感器；PLC

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.143

1 水电站传感器的组成

水电站非电气量信息，包括温度、压力、流量、水位等。这些非电气量信息在水电站生产过程中多数变化过程较为缓慢，一般通过传感器来作为这些非电量信息采集工具。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信号的器件或装置。[1]传感器的组成如图1所示。

2 水电站常用传感器分类及工作原理

2.1 温度传感器

水电站中的油罐、油箱、气罐、空气压缩机各段温度需要用温度传感器来测量。温度传感器按照传感器材料及电子元件特性分为热电偶和热电阻。

热电偶是利用热电效应来测量温度的，即两种不同成分的金属导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势。直接用作测量介质温度的一端叫做测量端，另一端叫做冷端，冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。

热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。[2]

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：

Rt=R0[1+α（t-t0）]

Rt， R0： 热电阻在t ℃和t0 ℃时的电阻值；α：热电阻的电阻温度系数（1/℃）；t：被测温度（℃）。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为： Rt =AeB/t ；Rt：温度为t时的阻值；A、B：取决于半导体材料的结构的常数。

2.2 压力传感器

水电站中引水、尾水、冷却水、压力油、 压缩空气管管路压力用压力传感器测量。压力传感器有电阻应变式、压阻式、电容式压力传感器等几种。电阻应变式压力传感器利用被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴的电阻应变片感受动态压力的变化。压阻式压力传感器以硅片作为弹性敏感元件，该硅片上有四个等值导体电阻，组成惠斯登电矫，当硅片受力后、由于半导体的压阻效应。电阻值发生变化，使电桥输出而测得压力的变化。电容式压力传感器的电容极板的相对位置会随着压力的变化而改变，从而引起电容的改变，通过对电容的测量，实现压力的测量[3]。

2.3 流量传感器

水电站中发电机空冷器进、出口风温等机组、冷却水流量用流量传感器测量。常用的流量传感器有电磁流量计、容积式流量计和超声波流量计。电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律工作的，上下两端的筛龅绱畔呷Σ生恒定磁场，测量管内的导电水体在磁场中作切割磁力线运动时，则会产生感应电势。其感应电势E为：E=KBVD。

K：仪表常数；B：磁感应强度； V：测量管道截面内的平均流速；

D：测量管道截面的内径。

容积式流量计利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，反复计量通过流量计的流体体积来测量流体体积总量。超声波流量计是利用超声波在流动的流体中传播时，流体的流动将会使传播时间发生微小的变化，并且传播时间的变化正比于水体的流速，由此就能测出流体的流速，再根据管道口径就能计算出流量大小。

2.4 水位传感器

水电站中水库、下游尾、集水井、排水廊道、供水池水位用水位传感器来测量。水位传感器根据其工作原理可分为电磁波雷达水位计和磁性浮子水位计。雷达水位计采用发射―反射―接收的工作模式。雷达水位计的天线发射出的电磁波经水面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到水面的距离成正比，关系式如下[4] ：

D=CT/2 D：雷达水位计到水面的距离；C：光速；T：电磁波运行时间。磁性浮子水位计采用浮力原理和磁性耦合作用来测量的。当被测的水位升降时，水位计的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，指示器的红白交界处为水位的实际高度，从而实现水位清晰的指示。

3 水电站传感器与PLC连接

传感器采集水电站非电量的信息，输出的信号有0-20mA/4-20mA电流信号和0-75mV/0-5V/1-5V电压信号。4-20mA信号制是国际电工委员会（IEC）过程控制系统用模拟信号标准，现是传感器常用的标准输出信号。图3为PLC与开度传感器连接方式，PLC与传感器的连接要根据传感器与PLC的功能和技术特点进行匹配选型，同时也要考虑到水电站现场各种EMC干扰的影响，通常把传感器输出的模拟信号隔离、放大、转换后送到PLC。PLC通过信号线采集传感器的模拟或数字信号，然后进行处理。

参考文献：

[1]黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].人民邮电出版社， 1998.

[2]姜世昌.温度传感器[J].软件，2008（03）：44-47.

[3]孙以材.压力传感器的设计、制造与应用[M].冶金工业出版社， 2000.

[4]许笠.雷达水位计在水情监测系统中的应用研究[J].人民长江， 2014，45（02）：74-77.