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时间：2022-11-11 13:52:56
序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇电容式传感器范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。
电容式传感器的优点：电容式传感器与传统的电感式、电阻式传感器相比具有结构简单，测量范围大，灵敏度高，动态响应快、非接触测量等优点，并能在高温，辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。首先，电容式传感器结构相对简单，因此比较容易投入生产。适应性好强，可大可小，从而可以满足不同需求的测量。用于制作电容式传感器的金属极板材料有可以有多种选择：金、银、铜、黄铜、青铜、铅等，选择范围广，可见适应性比较强。其次，电容式传感器具有动态响应好，分辨率高的特点。由于在极板间的静电引力小，作用能量值也相应降低，能活动的地方可以做的很小很薄，重量轻，因此电容式传感器的固有频率会随之升高，动态响应时间变短，在几兆赫的频率下即可工作，因此，此电容器特别适用于动态测量。又由于需要的输入的能量低，所以即便只是测量极小的压力、力和加速度，也可以做到很灵敏，很精确。电容式传感器在一般情况下可视为纯电容，其容抗值为XC=1/jwC，当W为常数时，容抗随电容的减小而增大。一般电容式传感器受几何尺寸的限制，其电容量是很小的，有的甚至只有几个皮法，所以，电容式传感器具有高阻抗的特点，又由于电容器本身的C很小，所以电容式传感器呈现小功率的特性。功率小，发热自然低，因此温度的变化对测量的误差很小。对于非接触测量时，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。
电容式传感器的不足之处及解决办法：电容式传感器是以静电场有关理论为基础制成的，从静电场角度考虑，影响其工作性能的因素是存在的，因此在设计和应用时，应给予考虑。首先，电容式传感器输出与输人之间的关系出现较大的非线性，这时可以采用差动式结构解决非线性大的局限性，但只能缓解，不能完全消除，这也是电容式传感器使用的局限性。因其电容小，所以负载能力较差，为了提高工作电容值，可以在极板间加入介电常数高的绝缘材料，并减少极板间的间距来间接提高提高电容数值；因其电容值的偏低，所以对后续放大器要求很高，这时可以采用提高电源频率的方法降低容抗值，采用高输入阻抗运放作放大器，以减小在放大环节的信号衰减。采用带通或选频放大技术，对信号频率进行放大而滤去低频信号，采用屏蔽，将传感器和测量电路装在屏蔽壳体中，减少寄生电容和外界干扰的影响，减小极板厚度，增加极板宽度，以削弱极板的边缘效应和非线性误差。
2、电容式传感器的工作原理
电容式传感器实际的基本包括了一个接收器Tx与一个发射器Rx，其分别都具有在印刷电路板（PCB）层上成形的金属走线。在接收器与发射器走线之间会形成一个电场。电容传感器却可以探测与传感器电极特性不同的导体和尽缘体。当有物体靠近时，电极的电场就会发生改变。从而感应出物体的位移变化量。 在石油、钢铁、电力、化学等生产工艺过程中压为是非常重要的参数。此外，在机械制造技术方面，从小批量生产到连续程序控制.从小规模的设备到大规模的成套设备和不断发展的多功能的成套设备.都需要大量的压力传感器。为厂使这些复杂化、大规模化的成套设备能安全运转，对压力传感器的可靠性和稳定性的要求也越来越高.测量压力有表压力及绝对压力测量二种方式。表压测量采用以大气压为基准测容器内压力的方法。绝对压力的测量是采用以绝对真空为基准而测容器内压力的方法。二者的基本原理相同，所不同的是表压传感器将低压例制成对照大气开口的结构；而绝对压力测量则把低压设在真空室的结构.对高压和低压两例的接触溶液膜加压后，通过密封液加到感压膜上，感压膜（可变电极）接着高压侧和低压侧的压力差成正比地改变位置，感压膜的位移，使膜与两侧固定电极之间形成路电容运差，这个静电容放差位经电路转换、放大后就变成4-20mADc的输出信号。以加速度传感器是根据压电效应[1]。
3、电容式压力传感器的应用举例
电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5μm[2]。
（1）电容式测厚仪： 测量金属带材在轧制过程中厚度 C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容， 其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。
（2）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。
（3）电容式压力传感器：电容式压力传感器主要用于测量液体或气体的压力，当液体或气体压力作用于弹性膜片，使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化，从而引起由该电容组成的振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码、传输到显示部分，即可指示压力变化量。目前，电容式压力传感器已被广泛的使用在工业生产中。
（4）电容式测微仪 高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅。电容式测微仪整机线路包括高增益主放大器，包括前置放大器，精密整流电路，测振电路和高稳定度稳压电源。并将主放大器和振荡器放在内屏蔽盒里严格屏蔽，其线路地端和屏蔽盒相连，精密整流电路接地。
（5）电容式加速度传感器 加速度传感器是利用它内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。加速度传感器可以帮助机器了解它现在身处的环境。是在水平，走下坡，还是别的情况。在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面.
4、结束语
电容式传感器是利用电容器原理，将非电量转化为电容量，进而转化为便于测量和传输的电压或电流量的器件。电容传感器与其他类型的传感器相比，具有测量范围大、精度高、动态响应时间短、适应性强等优点，在位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等的测量方面得到了非常广泛的应用。电容式传感器本身就是电容器，在被测量的作用下，将被测量转化成相应的电容变化量。因此，在设计及应用时要根据传感器和被测量间函数关系的一些参数和所采用的介质以及工作条件等来确定采用何种工作方式、结构形式。结构元件的材料以及传感器输出信号的转换原理等。
电容式传感器应用领域主要是压电微位移、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，量测液准、湿度、以及物质成分等。
参考文献：
[1]孙海峰；崔翔；齐磊；；基于黑箱理论与传统等效电路的无源元件建模方法[J]；中国电机工程学报；2010年06期。
[2]蔡利民；孔力；；圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析[J]；分析仪器；2009年01期。
基金项目：
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】
[1]刘沁，周东旭，张治国，匡石，李新.电容式压力传感器的线性化校正与温度补偿.仪表技术与传感器，1002-1841（2010）11-0001-02.
[2]徐坚.金属电容式传感器的静压影响误差.自动化仪表.TP202.201103.
更大的温度范围；
更大的湿度范围；
驾驶与乘客因长期接触转换器与按钮所造成的脏污。
图1：基本的电容式传感器
今日车用的按钮与转换器不仅比过去多了许多，还要能具备轻易建置的特性，以符合日趋人性化控制接口的需求，另外，还必须具备成本效益，避免采用密封封闭式的机械开关。因此，电容式触控接口（capacitive touch switches，或称为cap sense）是一个非常具有潜力的取代方案。电容式触控接口技术不仅无须采用机械式控制元器件，还具备整合人性化接口的功能，十分符合汽车工业对于可靠性与成本效应的需求。
如图1所示，电容式接口主要是由两片相邻电路极板（traces）所构成的电容器：而依据物理法，电容效应是存在于两片电邻线路极板之间的。如果有任何导电性的物体（例如：手指尖）靠近这两片极板时，平行式电容（parallel capacitance）就会与传感器产生耦合(couple)效应。因此，整体电容会随着手指尖触碰电容传感器而增加；当移开手指时，电容则会随之减少。所以只要利用一套电路系统来测量电容的变化，就可以判断手指尖是否有碰触到两片相邻的电路极板。
电容式传感器是由两片电路极板与一个机板空间所构成。这些电路极板可为电路板的一部分，上面直接覆盖着一层绝缘层。电容式传感器也可以采用玻璃印刷电路技术植入车窗玻璃，并应用于后挡风玻璃的除雾器上。另外，电容式传感器不仅可以隐藏在曝晒印制图案的背面，还能够顺应各种曲面的弧度，广泛地应用于汽车的各种功能上。
图2：典型弛张振荡器拓扑
建构电容式界面的要素：
一组电容器；
电容量测电路系统；
从电容值转译成接口状态(switch state)的近端装置。
通常电容式传感器的电容值介于10pF～30pF之间。普遍来说，手指尖经由1mm绝缘层接触到接口所造成的耦合电容是介于1pF～2pF的范围。越厚的绝缘层所产生的耦合电容则愈低。若要感应手指的触碰，则必须建置能够侦测到1%以下电容变化的电容感测电路系统。
弛张振荡器（relaxation oscillator）是一种非常有效且易于使用的电容量测电路。一般常见拓扑如图2所示：
这个电路由以下四种元器件组成：
一组同步比较器(comparator)
一组电流源
一组放电开关(discharge switch)
一组电容式传感器。
最初，放电开关呈现开启的状态，此时全数的电流会流向传感器，造成传感器电压呈现直线上升的现象。此充电动作将持续至传感器电压达到比较器阀值为止。这时，比较器会从低电压转为高电压，进一步关闭放电开关。如此一来，电容式传感器便会快速经由低阻抗路径放电至地电位。当比较器输出电压从高转低时，整个电路周期则会重复进行。依据下列的方程式，输出频率（fout）与充电电流呈现正比的关系；与阀值电压和传感器电容则呈现反比的关系。因此借着量测输出频率，就可以得知传感器电容的大小：
假设充电电流为5μA，比较器阀值电压为1.3V，而传感器电容为30pF，则会产生128KHz的输出频率将。花在量测输出频率的时间越长，则可获得越高的频率分辨率。由于更高的频率分辨率会产生更佳的电容量测灵敏度，因此增加量测时间也会相对的提高电容量测分辨率。而设计业者可分别依据不同的应用层面、传感器尺寸与覆盖绝缘体厚度等因素，调整量测电容的时间。
由上列的方程式，可以近一步推衍出下列电容方程式：
因此，显然地我们还必须有输出频率周期的量测机制。图3分别显示周期量测方式的示意图与波形图。
图3：周期量测方式示意图
弛张振荡器的输出频率在此代表脉冲宽度调变器（pulse width modulator, PWM）的频率。PWM的输出波形由低频率与高频率两种脉波构成，频率的实际值端视不同应用而定。PWM输出信号则用来当成计数器（counter）闸门（gate）的信号。当此信号为高电位时，计数器会以fref的频率累积其数值，并于闸门信号下缘(falling edge)产生中断的情况，此时则可进行读取或是重设计数器数值的动作。之前曾假设充电电流为5μA，比较器阀值电压为1.3V，而传感器电容为30pF，则会产生128KHz的输出频率。假设计数器的参考频率为6MHz，则计数器在一个周期中所累积数值为46，两个周期为93，而十个周期的计数器数值则为468。由此可知，计数器累积数值越多，产生的分辨率或是灵敏度也就会越高。设计业者可运用下列方法获得更高的计数值：
提高计数器参考频率
降低振荡器频率
增加闸门信号的周期次数
电容式接口传感器采用可变更组态的混合信号数组（configurable mixed signal array），为设计业者提供一套具备成本优势的解决方案，请参考图4所示：
图4：Cypress 可变更组态混合信号数组CY8C21x34的示意图
Cypress 可变更组态混合信号数组CY8C21x34器件不仅内含建置弛张振荡器所需的可变更组态模拟区块，还具备作为建置周期量测装置用的数字区块。更重要的是，此器件还额外内建一组I/O模拟多任务器。多任务器的每一组针脚都具备一个开关器，可直接连结到模拟总线上。I/O模拟多任务器是一套大型的交叉式开关（cross-switch），能够让每一组针脚直接连结到控制系统上的模拟数组。此外，可编程电流源与放电开关也可直接与总线连结。这套内含多功能的可变更组态混合信号数组器件，可让28个I/O针脚中的任何一个都能被当成电容式传感器的输入端使用。图5显示完整的电容式感测系统。
图5：Cypress推出型号为CY8C21x34的可变更组态混合信号数组
当指尖同时放在两组并列的电容式传感器之间时，两组传感器很有可能皆会感测到指尖的碰触。因此，设计业者可利用这样的原理，近一步研发近似模拟的指尖位置感测装置。
滑杆（slider）是由多个邻近的传感器所组成，在这样的设计模式下，指尖接触的范围可以同时影响到多个传感器。因此，受影响传感器的电容值变化可用来计算质心(center of mass)与形心(centroid)。而计算出来的数值可精确的显示指尖所在位置。图6显示滑杆的构成。
图6：滑杆是由多个邻近的传感器所组成
如要达到多个传感器同时感测出指尖碰触的目的，设计人员在滑杆的设计上就必须考虑到传感器的形状。
恒速行驶操纵装置（cruise control）为滑杆的应用之一。举例来说，我们在里程计速度值上放置一排透明的电容式传感器，只要在55与60两个数值之间轻轻的点一下，即可将行车时速设定为57 mph。此外，内建电容式触控传感器的滑杆也可应用在车灯、音响音量控制等任何测量用的应用装置上。
随着车用自动控制仪表板的设计日趋复杂，要将所有的控制钮建置在其有限的空间中也变得更困难。由于许多车种的方向盘内都已装设安全气囊，当安全气囊迅速膨胀时，可没有人希望被一大堆机械器件砸在身上，因此，一般的汽车设计业者都会避免在方向盘的表面上装置控制钮。然而，电容式传感器只是被电镀在安全气囊盖后方的电路极板，并没有任何机械元器件。若是镀装有困难，也可以超薄电路板(flex circuit) 取代，并以镶嵌的方式装置在安全气囊盖后方。
车窗是另一项电容式触控技术尚未触及的领域。您是否想过直接把车窗除雾器的控制接口直接建置在车窗上？也许现在已经有设计业者将雨刷控制器直接安装在挡风玻璃上了。也许未来设计人员会在位于门把上方的玻璃上加装触控式数字控锁接口，车主只需要在车窗的传感器上输入正确的密码，便可控制汽车门锁。设计业者只要采用玻璃印刷电路技术或印制技术，就可将这类的电容式传感器建置在物体的表面。设计人员不仅可将这些传感器设计成常见的按键形式，也可自由发挥创意，将传感器以品牌或是车款名称，加装在车窗上(如图7所示)。
或许公司的营销人员会对图7这样的设计建议表示关切，因为消费者可能会质疑当他们摇下车窗时，是否仍能顺利的打开车门？
【关键词】电容测量 挠度测量 荷载试验 桥梁
1 引言
桥梁是交通运输网络的重要组成元素，是城市基础设施建设的重要内容，因此确保桥梁结构运营安全极其重要。由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，将导致结构各部件产生的损伤和劣化。这些损伤与劣化如果不能及时得到有效的检测和维修，将会影响行车安全、缩短桥梁使用寿命，甚至导致桥梁突然破坏和倒塌。
新桥验收试验与旧桥评估检测是确保桥梁正常安全运营的一项重要工作，荷载试验是桥梁承载能力评定最有效的方法之一，在荷载试验时，合理检测桥梁结构的关键状态参数（如应力应变、挠度、动力参数）是试验中最主要的内容。挠度直接反映桥梁结构形变是否超出危险范围，是评价桥梁安全性的重要指标，因此正确有效地检测桥梁挠度直接关系到试验结果评价的可靠性。
对斜拉桥、悬索桥及刚构桥等大跨度桥梁，因跨度大、河面宽、桥面高差大、桥面离水面高、测点布置多、温差变化大，试验往往需夜间，目前常用的挠度测量方法有位移计法、水准仪法、全站仪法、连通管法、光电法等，但在使用上会受到各种客观条件限制。基于此本文研发出一款利用电容测量技术与连通管原理有机结构的桥梁挠度测量系统，克服了传统挠度测量方法的不足，其结构简单、安装方便、适用场合广，且便于实现长期监测与自动化检测。
2 电容传感器数学模型
图1中由两个同轴圆柱形导体组成一个圆柱形电容器，其内导体外半径为r，外导体内半径为R，导体长度为h。当hR-r时，导体两端边缘效应可忽略，圆柱体可视为无穷长，则其电容为
（1）
当被测液体的液位在同心圆柱形内高度发生变化时，将导致电容变化，此时，相当于两个同轴圆柱形电容器并联，由式（1）得
（2）
令
则式（2）变为
C=a+bx（3）
式中：
为被测液体介电常数，为真空介电常数；
h为圆柱形导体长度，R为外导体内径，r为内导体外径；
x为液面当前高度。
由式（3）可知，圆柱形电容的输出电容与液面高度x成线性关系。系数a、b与传感器结构的几何参数、液体介质种类有关，可通过实验标定方式来获得。当使用水作为液体介质时，介电常数随水质与温度变化而变化，由此对系数b所带来的测量影响是不能忽略的，在实际应用中必须进行有效的修正。
3 桥梁挠度测量原理
由电容传感器、水体及连通管构成一个完整的桥梁挠度测量系统（见图2），将测量传感器固定在桥梁指定位置，用带水的连通管连接一起时，调节水量使液面保持在传感器量程内某位置处。当桥梁挠度发生变化时，传感器安装位置高程随之发生变化，其内的液面也发生相应改变，通过测量电路可测出此时电容值，即可计算出测点的液面高度。
假设在桥墩附近位置安装一个传感器作为参考基准点，设初始状态时各测量点液面测量值为 （i为测点编号）
当桥梁挠度发生变化时，各测点液面测量值为 （j为测点第几次测量）
则各测点液面位置变化为
（5）
由此可计算出各测量点相对于参考基准的高差为
（6）
电容式挠度传感器正是利用被测液体的介电常数，将液位转化成电容变化来表征输入信号大小以实现液位的测量。该传感器具有许多优点：结构简单、灵敏度高、分辨率高、体积小、安装方便，但液体介质种类及温度变化造成的介电常数变化是影响其测量精度、重复性及稳定性的主要因素。
液体介质种类对测量精度的影响，可以通过使用前在线校准方法得以有效消除。环境温度对介质介电常数的影响，本文通过单独使用一个传感器的测量数据，来计算出环境温度修正项，此传感器应安装在与其它传感器相同的使用环境中，用同类介质充满到指定高度后与连通管隔离，通过它测量结果来在线计算出当时环境温度变化对测量精度的修正项。传感器内的液体介质温度与种类影响修正项由专用处理软件完成。
4 电容传感器结构与测量电路设计
挠度传感器结构如图3所示，它由两个同轴圆筒组成电容两个电极，两个电极使用同种金属材料做成，经氧化处理后确保两筒间绝缘，两筒间隙形成储液腔。在外筒下底部设计可与连通管相接的进水口，上端设计有小孔与空气相连，以确保测量时水位变化流畅。为提高测量精度，减少寄生电容等影响，在传感器顶部集成的测量电路组合成一个一体化智能传感器，在内部设计有自动校准标，并通过RS485口与外部通讯，形成分布式测量结构体系中的一个节点。
电容测量前端选用MS3110芯片，它是个具有极低噪声的通用电容读出接口芯片，采用调制解调方式来对单电容或差动电容变化的测量，其测量范围为（0.25-10）pF，理论精度达4aF。其内部基本电路由电容补偿电路、电荷积分电路、采样保持电路、低通滤波及放大器组成如图所示。CS1IN，CS2IN为检测电容，CS1、CS2为芯片内部可调补偿电容，用于调节输入电容不对称而引起的偏置，LPF为低通滤波器，GAIN为可调节增益环节。
测量时通过MSC51系列单片机对MS3110芯片写入不同控制字进行内部参数设置，平衡外部容差，减小输出电压偏置，使工作在较好的线性范围内。使用集成有100kHz的转换速率、12位A/D模数转换精度的MSC51系列单片机作为上位机，并使用软件过采样平均技术将片内12位A/D转换精度提高到18位。使用MS3110芯片2.25V参考电压输出作为内部A/D转换器的参考电压，实现比率测量来提高电源看干扰能力。硬件电路如图4所示，P1.1口作为时钟与MS3110的时钟端相连，P1.2与MS3110的SDATA端相连将控制字写入MS3110。利用单片机集成的串行口，通过MAX485芯片接口，实现与外部双向通讯，并使用广播接收、查询输出的传输协议，实现在分布式结构的测量系统中各测点的同步测量。
5 应用实例与结论
用所开发的电容挠度传感器，并编制相应的Windows应用软件，在大跨度刚构桥动静载试验中典型实测桥面挠度见图5，经几座桥梁应用验证，结果表明：
（1）传感器体积小、重量轻、安装简单，不受桥面高差影响，使用环境条件宽；
（2）液体介质对测量精度的影响可通过现场校准方式有效解决；
（3）环境温度对测量精度的影响可使用补偿传感器在线修正；
（4）一体化智能传感器设计可方便地实现分布式同步自动测量。
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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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为减小附加误差，保证测试数据的可比性，两次测试均采用相同的标准器和测试设备。标准器为美国GE公司的精密冷镜式露点仪，露点测量范围为-60℃～40℃，测量误差为±0.01℃；测试设备为国产SYSD型一等标准双压法湿度发生器，其产生相对湿度的范围为10%～95%RH，最大允许误差为±1%RH。1.3测试方法测试中选取-30℃，-10℃和20℃3个温度点。-30℃时，选取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95%7个湿度测试点。由于被试件技术指标不同，-10℃和20℃时，1#、2#、7#、8#被试件选取20%为低湿测试点，其余被试件选取15%测试点，其他测试点与-30℃时相同。每个温度点进行两个循环测试，每个湿度测试点有两对不同湿度变化趋势的数据。
2稳定性分析方法
本文利用误差年漂移量定量表征湿敏电容传感器的稳定性。文中定义误差的年漂移量为使用后各湿度测试点误差与使用前各湿度测试点误差的差值，其中湿度测试点误差为该测试点4次单次测量误差的平均值。为研究误差年漂移量的变化规律，文中分析了不同温度条件下，误差年漂移量的分布情况。讨论了室温（20℃）条件下误差年漂移量随湿度变化的规律以及同型号的两被试件之间的一致性。为确定各种因素对误差年漂移量的影响，文中采用方差分析法，分析了温度、湿度以及观测设备型号对误差年漂移量的影响，并给出了显著度。为检验现行湿敏电容传感器的检定周期是否合理，文中以中国气象局对湿敏电容传感器的要求为标准，对使用后静态测试中14支湿敏电容传感器的合格率进行了统计。
3稳定性分析结果
3.1误差年漂移量随温度变化情况测试时选取了-30℃，-10℃和20℃3个温度点，图1为各被试件在不同温度点误差年漂移量的箱形图，每个箱形的数据为7个湿度测试点的误差年漂移量。箱形图中，线段的最高点为最大值，最低点为最小值，箱形的上框线为上4分位值，下框线为下4分位值，箱内线为中位线，箱外“+”点为异常值。从图中可以看出，对大多数被试件来说，低温时中位线低，并且随着温度的降低，箱形和线段的长度增加，由此可知误差年漂移量在低温时较低，并且其分布随温度降低而变得分散。为定量表征误差年漂移量随温度的变化规律，文中计算了误差年漂移量的平均值和标准偏差。根据JJF1001-2011《通用计量术语及定义技术规范》的规定，当测量次数小于9次时，采用极差法计算标准偏差，如式（1）：表2给出了各被试件在不同温度点时误差年漂移量的平均值和标准偏差。总体来看，各被试件在-30℃时误差年漂移量的区间为[-5.62，0.82]，-10℃时为[-3.73，0.95]，20℃时为[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。
3.220℃时误差年漂移量的变化规律南京市年平均气温为15.4℃，因此分析20℃时误差的漂移情况具有更重要的意义。为了便于分析不同型号的被试件的误差漂移情况，按照观测设备型号将14套被试件分为8组，图2给出了20℃时8种型号的观测设备湿度测量误差的年漂移量。从误差年漂移量曲线的变化趋势来看，在全量程不同测量段，误差年漂移量有很大的差异。除I、IV型观测设备图2中（a）和（d）外，其余被试件误差的年漂移量随湿度的升高向y轴负向移动。在低湿点（≤40%RH），各被试件误差年漂移量的平均值为-0.04%RH，在高湿点（＞80%RH），误差年漂移量的平均值为-1.04%RH。从图2（a）～（f）中两条曲线的关系来看，II、III、V、VI型观测设备（图2中（b）、（c）、（e）、（f））的两套被试件之间的误差年漂移量具有较好的一致性，两被试件间误差年漂移量的差值平均为0.5%RH。IV型观测设备的两套被试件除50%RH测试点存在1.81%RH的差异外，其余测试点误差年漂移量具有较好的一致性。I型观测设备的两套被试件一致性较差，两被试件间误差年漂移量曲线近似平行，其差值平均为3.2%RH。
3.3误差年漂移量影响因素的方差分析事件的发生往往与多个因素有关，但各个因素对事件发生的影响可能是不同的。所谓方差分析就是利用试验观测值总偏差的可分解性，将不同因素所引起的偏差与试验误差分解开，以确定不同因素的影响程度[6]。文中对测试点温度、测试点湿度、观测设备型号进行3因素方差检验，得出3个因素及其交互作用对误差年漂移量的影响。为确定结果是否是“统计上显著的”，需要确定α值[7]，文中规定当α值小于0.01时，结果是显著的。表3为多因子方差分析表，可以看出，温度、观测设备型号以及温度和湿度交互作用的α值均小于0.01，表明温度、温度和湿度的交互作用以及厂家的设计制造水平对误差年漂移量有显著影响。
3.4湿敏电容传感器检定周期合理性分析为保证气象资料的准确性和连续性，要求气象仪器具有较好的稳定性。因此气象仪器必须进行周期检定以保障其准确性和气象资料的可靠性，其中被试仪器的检定周期则取决于它的稳定性。中国气象局对湿度测量最大允许误差为±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。参加试验的14套被试件经过一年的动态比对试验，使用后的静态测试中有3套被试件仍符合技术指标要求，11套被试件不符合要求，不合格率为78.6%。仪器特性漂移产生的误差可以通过检定给出修正值予以解决，试行的GJB1758.26A《军用气象仪器检定规程第26部分：地面气象自动观测仪》中规定湿敏电容传感器的检定周期为1年。根据本文研究结果可以看出，经过一年的使用，超过3/4的传感器不能满足技术要求。为保证湿敏电容传感器的测量准确度，德国科学工作者建议几周校准一次[8]，我国也建议应每半年采用两种饱和盐溶液对湿敏电容传感器进行两点调校。
电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容传感器。具有可靠性高、安装方便等特点，可广泛应用冶金、采矿等部门作料位控制，是应用最广的一种物位传感器。
一、电容式传感器的工作原理
两个面对面放置的金属板构成一个平板电容器，若不考虑电容的边缘效应，其电容量为C=■。式中：A――两极板相互遮盖的有效面积；d――两极板间的距离，也称为极距；ε ――极板间物质介电常数。分析得出结论：当A、d、ε中的某一项发生变化，就改变了电容量C。即电容量C是A、d、ε的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。
①变间隙型电容传感器。被测量通过动极板移动引起两极板有效距离改变，从而得到电容量的变化，如图1. ②变面积式电容传感器。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化，如图2. ③变介电常数式，如图3。参见表1：几种常见物质的相对介电常数。
二、电容式物位计的工作原理
电容式物位计由电容式物位传感器和测量转换电路两部分构成。其基本工作原理是电容式物位传感器先把物体的位置变化转换为电量的变化，然后再测量电量，最后通过测量转换电路显示出物位的数值。
三、电容式物位传感器的结构特点
电容式物位传感器由两个导体电极（通常把被测物的容器壁作为一个电极）构成，由于电极间是介质（气体、流体或固体）而引起初始电容的改变，因此可以测量物料的物位。它的敏感元件有三种，线状、棒状和板状，最常用的为棒状。它工作温度、压力受中间介质的限制。电容式物位传感器一般采用微机控制，能够实现自动调整灵敏度，并且具有自诊断的功能，还能够检测一些敏感元件的破损和绝缘程度的降低以及电缆和电路的故障等等，并可实现自动报警和高可靠性的信息传递功能。由于电容传感器结构简单，灵敏度高，过载能力强，因此是一种用途广泛，很具发展潜力的传感器。
四、 电容式物位传感器的测量电路
（1）脉冲宽度调制电路。这种电路的频率输出为数字信号的输出，不需要模数转换；灵敏度比较高；输出能消除温度和电缆电容的影响。但其输出非线性大，需误差补偿。
（2）变压器交流电桥电路 。这种电路灵敏度和稳定性较高，比较适合做精密电容的测量；但电桥输出电压幅值比较小，输出的阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作，而且电路不具备自动平衡措施，构成较复杂。这种电路没有消除杂散电容的影响，因此要采取屏蔽等措施，但效果不一定理想。
五、电容传感器的应用――非导电介质的液位测量
此电路，采用了自动电桥平衡电路。
①当油箱中没有油时，电容传感器的电容量为Cx =Cx 0，调节可调电容C0，使C0=Cx 0。由于R4=R3，并使电位器RP的滑动臂位于0点，即可调电阻RP的阻值为0。此时，电桥满足Cx /C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出U0=0，电动机不转动，油量表指针偏转角θ为零。如图4（因篇幅所限，图略。）
②当往油箱中注油时，液位上升为Cx=Cx0+？驻Cx，而？驻Cx与液位h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动电动机，电动机正转，带动指针顺时针偏转，同时带动可调电阻RP的滑动臂向c点移动，从而使RP阻值增大，d、c两点的电阻也随之增大。当可调电阻RP阻值达到一定值时，电桥又处于平衡状态，输出电压Uo=0。于是电动机停转，指针则停在转角为θm处。
③由于油表的指针及可变电阻RP的滑动臂同时被电动机带动，所以，θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又与液位高度h成正比，因此可直接读得液位高度h。
④当油位下降时，电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动可调电阻RP的滑动臂向0点移动，RP阻值减小。当RP阻值达到一定值时，电桥达到平衡状态，输出电压Uo为零。于是电动机停转，指针停留在与液位高度相对应的转角θ处。
⑤从以上分析得到涉及“闭环控制”的结论：放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。
总之，在教学过程中，教师要让学生了解电容传感器的工作原理和对非导电液体液位的测量，提高学生综合应用能力。
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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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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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2背景
长期以来，人们一直在探索提高燃油油量测量精度的途径。早在1952年,美国Raytheon公司就动用了一大批技术力量对此进行研究。在该公司所著《燃油测量技术研究》中就提出采用机械、振动、超声波、电磁、电、光、核辐射等各种原理来测量航空器的燃油测量。。随着航空事业和微电子技术的发展，电容式燃油油量测量技术成为目前应用最为广泛的直升机燃油测量技术。近年来，国外在取得上述成就的基础上,又着手研究利用光纤技术来进行燃油油量测量，如能投入实际应用,则将再使这方面的技术进入一个新的时代。
3测量技术
目前通用的燃油测量是利用装在直升机油箱中的变介电常数电容式传感器电容的变化来感受直升机油箱燃油液面的高度变化，再根据油箱的高度容积曲线计算出燃油油量。油量传感器为线性传感器。当油面的高度变化时，在激励信号的作用下将燃油高度的变化量转换为等量的电容量变化，再通过测量系统的各油量测量通道转化为直流电压信号，并经过数字化后输入到显示设备的处理装置，最终计算出燃油液面高度变化后的油量容积。电容式传感器:
3.1电容式传感器的分类。电容式传感器一般有变间隙型、变面积型和变介电常数型三种方式，其中变介电常数型是目前航空燃油测量使用最广泛的一种，简介如下：变介电常数传感器，变介电常数传感器是直-9采用的传感器，当电容极板间的介电常数发生变化时，电容量也随之改变，直-9在设计过程中采用垂直定位圆柱形传感器的电容技术，传感器为线性电容式，由同轴安装的特制双层薄壁铝合金管和外体组成，其电容增量随所在燃油箱内燃油液面高度变化而线性变化，连接器传输电缆采用高绝缘同轴电缆。适于在复杂环境条件下稳定、可靠地工作，其测量精度、抗污染性和可靠性均优于同类产品。[2]
3.2测量电桥。测量电桥由传感器电容CX、与固定电容C0组成的交流桥路组成，桥路电源为激励源产生的正弦波信号，所以传感器信号为正弦波信号，而通过固定电容的信号也为正弦波信号，但与传感器的正弦波信号相位相差1800。两个信号叠加势必会相互抵消，理论上CX=C0，R1=R2时输出电压为零，设定固定电容为传感器理论上的干电容值，即CX=C0，R1=R2。在实际应用中，当燃油为零时传感器的干电容与理论值稍有偏差，零位需要进行调整，通过调零电位器将输出的电压设定为0伏，通过调满电位器将满油电压设定为5伏，这样0V-5V区间就是传感器的液面变化区间。将传感器的电容量转换成与之成比例的交流电压信号，经信号整形滤波处理输出模拟电压信号。
