時間：2022-04-24 11:37:21
序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇電容式傳感器范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。
關鍵詞：電容；傳感器；轉換；測量
在生產科研活動中，經常要對溫度、壓力等非電量進行測量，使得現代傳感器技術有了飛速的發展。電容式傳感器的檢測元件可將被測非電量變換為電容量，然后通過對電容值的測量得到相應的非電量的值。由此可見對電容值進行測量是有實際意義的。在數字化測量技術中，為實現對電容所測值進行數字顯示，通常是將被測電容Cx先轉換成與其成正比的直流電壓信號（稱C/U轉換）或時間信號（稱C/t轉換）。這里介紹一些具體的轉換方法，并詳細討論一個典型的C/U轉換電路。
1、測量電容的幾種轉換方法
⑴ 充電法測電容
圖1是這種方法的原理圖。集成運放反向輸入端所加的基準電壓Ur經電阻R對被測電容Cx進行充電，當輸出電壓Uo達到預先設定的額定值時就停止充電。在Ur和R為定值的情況下，顯然充電時間t的長短與Cx成正比。由圖1可寫出其關系式：
只要測出時間t的大小，就可得知Cx的值。利用這種C/t的轉換方法測電容，其可測范圍為10μf-999.9μf。
⑵ 充放電法測電容
圖2是這種方法的原理圖之一，它由窗口比較器對電容的充放電進行控制。基準Ur先對Cx進行充電，當兩端電壓達到額定值時就對地放電，當電容兩端電壓降低到一個額定值時再次充電。Cx如此反復的充放電，就形成一個周期為T的震蕩電壓波形，T值與Cx成正比，因此通過測量時間T的大小就可得知Cx的值。這種通過C/t轉換測量電容若配上單片機電容量的分辯率可達（0.5-1）×10-3乘以電容滿度值，可測范圍為0-200μF。
和上述方法相似的另一種測量方式是稱為換向式的測量法，它也是先充電后放電，但放電到-Ur為止通過測量放電的持續時間Td得知Cx的大小，這種方法的優點是對充電電源及放大器參數要求不嚴格，測量誤差小，分辨力可達0.1pF，能滿足電容傳感器的要求。
⑶ 脈寬調制法測電容
圖3是這種方法的原理圖。它是在如圖所示的單穩態觸發器的觸發端輸入一個脈寬為tw，周期為T的矩形波，在閾值為TH加被測電容Cx。通過Cx充放電在輸出端得到一個周期仍為T，但脈寬tw即占空比q=tw/T隨Cx成比例變化的矩形波（所以稱為脈寬調制）。如果能設法測出tw的值，則Cx也可得，這顯然也屬于用C/t轉換法測電容。由于q隨C/x改變是輸出的矩形波電壓平均值Uo值隨之而變，即表明Cx與Uo成正比，所以只要能Uo并測出它的數值，就可以得出Cx的值，顯然這屬于通過C/U轉換測電容。脈寬調制法測電容的范圍為0-20μF，最高分辨別率為1μF，它的缺點是測量前都要手動調零，從而延長了測量時間。
⑷ 容抗法測電容
圖4是這種方法的原理電路圖。運放處于線性工作，Ui是幅度及頻率fo均恒定的正弦測試信號。電容中通過正弦交流信號時，其容抗為Xc=1/（2πfoCx），當fo恒定時，Xc與Cx成反比。
2、按容抗法實現的C/U轉換電路的設計與分析
根據容抗法測量原理，為實現C/U轉換，必須有正弦信號發生器，C/ACU轉換電路，AC/DC轉換電路，濾波器及輔助電路等。
由集成運放N1，電阻R1-R5和C1-C2組成RC橋式振蕩器，其中C1R1和C2R2組成RC串并聯網絡，R3R4R5組成負反饋網絡，通過調整R3R4R5 的值使略大于3滿足起振的條件，即R4+R5>2R3。運放N2是一級反向輸入的緩沖放大器，其電壓增益為A = -（R7+RP1）/R6其中RP1為校準電位器，調節RP1可改變N2的電壓增益。由運放N3、電阻RS和電容Cx組成測量電容的主電路，其功能是實現C/ACU的轉換。由運放N4、電阻R9- R11和電容C3- C4組成二階有源帶通濾波器，其中心頻率fo = 400HZ因此有源帶通濾波器只允許400HZ信號通過，這樣就得到一個純正的400HZ的正弦波。由集成運放N5、二極管VD3-VD5電阻R13- R16和，電位器RP2和電容C5- C8組成精密整流電路，電路中的R12是N5的同向端輸入電阻，R13、 R14為負反饋電阻可將N5偏置在線性放大區并控制運放的增益。
3、電容式傳感器的應用
電容式傳感器的檢測元件將被測非電量變換為電容量變化后，用測量線路（C/U轉換電路）把電容容量的變化變換為電壓，再通過電壓與電容的關系得出非電量的值。可應用在測氣體的濃度、油箱油量、導電液體液位等等。
這種電容式轉換電路具有線性度好、準確度高、電路簡單、成本小、功耗低等特點可應用于一些小型、便攜式裝置中。例如數字萬用表就是利用容抗法實現C/U轉換輸出平均值電壓再配以高分辯率的液晶A/D轉換器把模擬量轉換成數字量來測量電容的。
參考文獻：
[1]沙占友等.數字萬用表應用技巧 .北京：國防工業出版社，1997
橋梁撓度測量是橋梁安全性評價試驗中檢測的重要內容，基于常用撓度測量方法受使用環境條件的制約，本文研制開發出一款體積小、重量輕、安裝簡單、使用方便的撓度測量系統。通過大跨度橋梁實際使用表明：該系統應用條件寬，自動化程度高，撓度測量精度滿足工程要求。系統具有很強的推廣價值及實際工程應用前景。
【關鍵詞】電容測量 撓度測量 荷載試驗 橋梁
1 引言
橋梁是交通運輸網絡的重要組成元素，是城市基礎設施建設的重要內容，因此確保橋梁結構運營安全極其重要。由于受到環境、有害物質的侵蝕，車輛、風、地震、疲勞、人為因素等作用，將導致結構各部件產生的損傷和劣化。這些損傷與劣化如果不能及時得到有效的檢測和維修，將會影響行車安全、縮短橋梁使用壽命，甚至導致橋梁突然破壞和倒塌。
新橋驗收試驗與舊橋評估檢測是確保橋梁正常安全運營的一項重要工作，荷載試驗是橋梁承載能力評定最有效的方法之一，在荷載試驗時，合理檢測橋梁結構的關鍵狀態參數（如應力應變、撓度、動力參數）是試驗中最主要的內容。撓度直接反映橋梁結構形變是否超出危險范圍，是評價橋梁安全性的重要指標，因此正確有效地檢測橋梁撓度直接關系到試驗結果評價的可靠性。
對斜拉橋、懸索橋及剛構橋等大跨度橋梁，因跨度大、河面寬、橋面高差大、橋面離水面高、測點布置多、溫差變化大，試驗往往需夜間，目前常用的撓度測量方法有位移計法、水準儀法、全站儀法、連通管法、光電法等，但在使用上會受到各種客觀條件限制。基于此本文研發出一款利用電容測量技術與連通管原理有機結構的橋梁撓度測量系統，克服了傳統撓度測量方法的不足，其結構簡單、安裝方便、適用場合廣，且便于實現長期監測與自動化檢測。
2 電容傳感器數學模型
圖1中由兩個同軸圓柱形導體組成一個圓柱形電容器，其內導體外半徑為r，外導體內半徑為R，導體長度為h。當hR-r時，導體兩端邊緣效應可忽略，圓柱體可視為無窮長，則其電容為
（1）
當被測液體的液位在同心圓柱形內高度發生變化時，將導致電容變化，此時，相當于兩個同軸圓柱形電容器并聯，由式（1）得
（2）
令
則式（2）變為
C=a+bx（3）
式中：
為被測液體介電常數，為真空介電常數；
h為圓柱形導體長度，R為外導體內徑，r為內導體外徑；
x為液面當前高度。
由式（3）可知，圓柱形電容的輸出電容與液面高度x成線性關系。系數a、b與傳感器結構的幾何參數、液體介質種類有關，可通過實驗標定方式來獲得。當使用水作為液體介質時，介電常數隨水質與溫度變化而變化，由此對系數b所帶來的測量影響是不能忽略的，在實際應用中必須進行有效的修正。
3 橋梁撓度測量原理
由電容傳感器、水體及連通管構成一個完整的橋梁撓度測量系統（見圖2），將測量傳感器固定在橋梁指定位置，用帶水的連通管連接一起時，調節水量使液面保持在傳感器量程內某位置處。當橋梁撓度發生變化時，傳感器安裝位置高程隨之發生變化，其內的液面也發生相應改變，通過測量電路可測出此時電容值，即可計算出測點的液面高度。
假設在橋墩附近位置安裝一個傳感器作為參考基準點，設初始狀態時各測量點液面測量值為 （i為測點編號）
當橋梁撓度發生變化時，各測點液面測量值為 （j為測點第幾次測量）
則各測點液面位置變化為
（5）
由此可計算出各測量點相對于參考基準的高差為
（6）
電容式撓度傳感器正是利用被測液體的介電常數，將液位轉化成電容變化來表征輸入信號大小以實現液位的測量。該傳感器具有許多優點：結構簡單、靈敏度高、分辨率高、體積小、安裝方便，但液體介質種類及溫度變化造成的介電常數變化是影響其測量精度、重復性及穩定性的主要因素。
液體介質種類對測量精度的影響，可以通過使用前在線校準方法得以有效消除。環境溫度對介質介電常數的影響，本文通過單獨使用一個傳感器的測量數據，來計算出環境溫度修正項，此傳感器應安裝在與其它傳感器相同的使用環境中，用同類介質充滿到指定高度后與連通管隔離，通過它測量結果來在線計算出當時環境溫度變化對測量精度的修正項。傳感器內的液體介質溫度與種類影響修正項由專用處理軟件完成。
4 電容傳感器結構與測量電路設計
撓度傳感器結構如圖3所示，它由兩個同軸圓筒組成電容兩個電極，兩個電極使用同種金屬材料做成，經氧化處理后確保兩筒間絕緣，兩筒間隙形成儲液腔。在外筒下底部設計可與連通管相接的進水口，上端設計有小孔與空氣相連，以確保測量時水位變化流暢。為提高測量精度，減少寄生電容等影響，在傳感器頂部集成的測量電路組合成一個一體化智能傳感器，在內部設計有自動校準標，并通過RS485口與外部通訊，形成分布式測量結構體系中的一個節點。
電容測量前端選用MS3110芯片，它是個具有極低噪聲的通用電容讀出接口芯片，采用調制解調方式來對單電容或差動電容變化的測量，其測量范圍為（0.25-10）pF，理論精度達4aF。其內部基本電路由電容補償電路、電荷積分電路、采樣保持電路、低通濾波及放大器組成如圖所示。CS1IN，CS2IN為檢測電容，CS1、CS2為芯片內部可調補償電容，用于調節輸入電容不對稱而引起的偏置，LPF為低通濾波器，GAIN為可調節增益環節。
測量時通過MSC51系列單片機對MS3110芯片寫入不同控制字進行內部參數設置，平衡外部容差，減小輸出電壓偏置，使工作在較好的線性范圍內。使用集成有100kHz的轉換速率、12位A/D模數轉換精度的MSC51系列單片機作為上位機，并使用軟件過采樣平均技術將片內12位A/D轉換精度提高到18位。使用MS3110芯片2.25V參考電壓輸出作為內部A/D轉換器的參考電壓，實現比率測量來提高電源看干擾能力。硬件電路如圖4所示，P1.1口作為時鐘與MS3110的時鐘端相連，P1.2與MS3110的SDATA端相連將控制字寫入MS3110。利用單片機集成的串行口，通過MAX485芯片接口，實現與外部雙向通訊，并使用廣播接收、查詢輸出的傳輸協議，實現在分布式結構的測量系統中各測點的同步測量。
5 應用實例與結論
用所開發的電容撓度傳感器，并編制相應的Windows應用軟件，在大跨度剛構橋動靜載試驗中典型實測橋面撓度見圖5，經幾座橋梁應用驗證，結果表明：
（1）傳感器體積小、重量輕、安裝簡單，不受橋面高差影響，使用環境條件寬；
（2）液體介質對測量精度的影響可通過現場校準方式有效解決；
（3）環境溫度對測量精度的影響可使用補償傳感器在線修正；
（4）一體化智能傳感器設計可方便地實現分布式同步自動測量。
參考文獻
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【關鍵詞】電容式；液位變送器；水電廠；集水井；自動控制；應用
水電廠中，集水井的排水裝置是用于排除廠房的滲漏水以及生產污水，為了保證排水裝置的正常運行，防止廠房被淹以及潮濕，集水井的排水裝置要實現自動控制。集水以及排水裝置的自動控制中在關鍵設備在于液位傳感器，早期廣泛使用的液位傳感器，當集水井內部水有油污之時將經常產生故障而導致裝置質控。新型的液位傳感器在在實際的發展過程中得到了持續的研究和應用。電容式的液位變送器也是新型研發的變送器裝置，通過將電容式的液位變送器在集水井的自動控制中進行應用，同時實現了其與智能控制器的配套使用，從而能有效解決上述問題，有效提高了集水井系統運行的可靠性。
一、概述
電容式液位傳感器能在高溫、高壓、易結晶、強腐蝕以及易堵塞等惡劣條件下實現各種液體的連續檢測，同時也能把污水、鍋爐水位以及酸堿溶液進行測量，整機不具備任何可動以及彈性部件，由此耐沖擊、便于安裝且可靠性和精度都較高。電容式的液位傳感器的使用，能替代傳統的浮球式、壓差式以及投入式的液位變送器。
電容式的液位變送器使用陷阱的射頻電容的檢測電路，同時通過16位的單片機經過精確的溫度補償以及線性修正，可將其轉化為標準的電信號，一般其運行的電信號范圍為4～20mA，可選擇CANBUS、HART、485等通訊協議進行系統的組態。整個變送器都具有自校準的功能，用戶可通過兩個按鍵進行零點以及量程的自動校準，由此適應了不同場所下的不同測量的要求。
二、特點
結構相對簡單，相應體系中不存在任何可動或者彈性的元部件，由此具有極高的可靠性，維護量也極少。一般狀況下，可不進行常規的維修；能實現多信號的輸出，便于不同應用系統的配置；能在高溫以及高壓容器環境下進行液位的測量，并且其測量的值不受到所測試液體的溫度、比重和容器形狀以及壓力等因素的影響；同時還能適應酸性以及堿性等強腐蝕性液體的測量；相應的設備具有完善的過壓、過流以及電源的極性保護。
三、電容式液位變送器以及智能控制器
1.電容式液位變送器
以前所是用的電容式液位變送器一般為二線或者四線制，在DC 24V以及4-20mA或者1～5V輸出的條件下運行。不限制被測試的液位高度。通過測量探極，一般是特制的軟線，和變送器兩個部分所構成。金屬的探極與被測試的介質完全絕緣，同時與變送器連接起來，而變送器的外殼與被測試介質的金屬箱體、連接以及固定的金屬部分構成電容的兩極。在實際的測量過程中，將水作為電容兩極之間的介質，電容量將隨著水位的上升而增加，下降而減少，電容量與水位之間呈正比的關系。變送器對探極所檢測到的電容量實行C/U轉換，并輸出直流電流以及電壓的信號。
該種模式的電容式液位變送器，在工作中的電流在35mA左右，若是將該種電容器與智能控制器結合起來，那么智能控制其所配備的DC24V無法滿足二者的電壓需要，而SX-92B二線制的電容式液位變送器則可直接與智能控制器結合使用。
2.智能控制器
該智能控制器實現了與電容式液位變送器的配套使用，型號為WP-C80，該種型號的智能控制器能使用雙重顯示模式，也就是數字以及光柱的共同顯示方式。電壓為AC220V，輸入4～20mA，同時實現一組控制接點輸出。例如可實現多組控制輸出，例如雙泵工作加報警輸出，同時還應配備多繼電器輸出的控制器。
四、電容式液位變送器在水位控制系統中的應用
水電廠的集水井中設置有兩臺水泵，相互作為備用準備。在水位過高時發出報警信號，根據這一要求，可選擇四組繼電器接點所輸出的智能控制器與液位變送器共同配套使用。由于所使用的SX一9213四線制的電容液位變送器的工作電流約為35mA，無法與智能控制器所配套的DC24V結合使用，由此還應另外配備一臺DC24V電源，從而保障電動機的安全持續運行。同時還在電動機的控制回路當中安裝了電動機的保護器。
五、電容式液位變送器以及智能控制器的安裝
1.安裝電容式液位變送器
通過將原有集水井的環境磁鋼浮子以及導向管等拆除，保留金屬鋼管的部分。一般狀況下為一段金屬鋼管，并使用混凝土澆筑在蝸殼層水泥地面上。通過將電容式的液位變送器安裝在鋼管上的相關位置，同時將變送器固定在安裝架上，從而使傳感器的金屬軟線位于鋼管的中心位置，同時保證芯線向下。電容器金屬探極的下部分應使用重錘進行懸吊，從而保證重錘下段與地面距離約10cm，或者在井底加設一個固定環，使用絕緣線將探極拉直固定。無論怎樣固定，都應將探極的下部套上一段絕緣管，從而防止對金屬探極造成損壞。若是探極過長，則應截掉上部，重新剝去一段絕緣皮，并將探極的頭部進行折回。為了保證連接的牢固可靠，為防止螺釘損壞探極當中的金屬絲，還應套上一小段薄金屬管，并將其放入變送器的連接孔，擰緊固定螺釘。固定變送器的金屬鋼管要使用圓鋼，實現與集水井與周圍混凝土當中的鋼筋焊接上，從而構成了電容的一極；或者在距離探極1m位置垂直固定一根鋼管，并將鋼管與固定變送器的鋼管連接起來。
2.安裝智能控制器
要將智能控制器安裝在主控室返回屏上的適當位置，從而便于相關的運行人員進行觀察和監視。若是需要安裝外配的DC24V電源，則應選擇在靠近距離控制器較近的位置。智能控制器與水泵的控制柜或者控制箱之間使用KVV8×1.5mm2的電纜進行連接，為了有效提高智能控制器的抗干擾的能力，智能控制器的標識也要使用大于2.5mm2的單芯銅線可靠接地，在電容式變送器以及控制器之間的導線要使用屏蔽線。
六、集水井自動控制系統的調試運行
在電容式液位變送器以及智能控制器安裝完畢之后，要對電容式液位變送器以及智能控制器進行使用前的調試。
1.調試電容式液位變送器
通過將電容式液位變送器和智能控制器進行連接，不連接控制線，而后在液位變送器的信號回路上串接上毫安測試表，打開液位變送器上蓋實現對液位變送器的通電。通過將集水井抽干，保持其零水位，同時實現對零點電位器的調整，使其毫安表指示為4mA；當集水井達到最高水位，則實現對電位器的調整，將毫安表指示為20mA，通過反復的檢查和調整，直到電流符合要求。
2.設定智能控制器的參數
由于智能控制器的參數不同，相應的設定方法以及設定的步驟也有所區別，由此要根據實際的智能控制器的說明書進行設定。以及WP-C80型號的智能控制器為例，自動啟泵水位2.1m、停泵水位為0.2m、備用泵啟動水位2.3m、顯示范圍0～3m、報警水位2.5m、分辨率為0.01m。四路輸出代號分別為ALM1，ALM2，ALM3，ALM4。同時由于該種型號的繼電器具有滯回特性，由此只能用其開接點進行控制，并不需要加設自保持。其中ALM1可作為自動起泵使用。啟泵的水位為2.1m、停泵水位為0.2m；ALM2則是備用泵，啟泵水位2.3m、停泵水位0.2m；ALM3路為報警使用，報警水位2.5m，返回水位2.1m；ALM4未用。
七、電容式液位變送器在實際使用中的維護
1.使用
電容式液位變送器外殼的防水性能較差，由此應采用防水措施，同時防止外殼遭到硬性損傷，從而防止對探極的絕緣外皮造成損傷而導致絕緣能力下降，同時可拆除絕緣外皮遭到損壞的探極，使用防水的萬能膠封好破損的部位，經過實踐了解到，探極與水之間的絕緣電阻要大于5MΩ，過小則應及時更換。而智能控制器的工作電源的電壓范圍在180～250V，若是電壓的波動超過該工作電壓范圍，則可考慮增設穩壓電源裝置。
2.維護
在電容式液位變送器投入使用之后，應建立定期檢測機制，一般為半年檢測一次。檢測的內容為，金屬探極與水之間的絕緣電阻要大于5MΩ，在電阻測量之前應斷開探極與水之間的絕緣電阻的連接線。若是小于標準的數值則應對金屬探極進行更換，測試實際的水位是否與顯示的水位保持一致，若是相差超過0.1m甚至以上則應進行調試處理，首先應對探極雜物進行處理，并使用擦機布擦拭干凈探極，而后再檢查其是否符合要求，若是依舊不符合要求，可能是由于電容式液位變送器的動作點漂移所導致的，由此則應對工作點進行測試，知道符合要求；對控制器的工作進行檢查，明確相應的動作值是否發生了變化，若是動作值發生了變化，則應檢查設定值，若是設定值準確，那么需要及時更換控制器。
參考文獻
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【關鍵詞】電容式測壓器;MSP430;紅外;LABVIEW;濾波
1.引言
目前的火炮膛壓大多采用的是壓電式傳感器，其存在的問題是改造后的國產壓電式高壓傳感器的性能不夠穩定，進口傳感器價格昂貴，體積較大;并且壓電式傳感器存在著零點漂移的問題[1]。膛壓--火藥氣體燃燒時在槍炮膛內產生的壓力。它是身管發射武器設計、研制、驗收中必須進行多次測量分析的重要動態參數之一。火炮最大膛壓的測定，是檢測火炮強度的一項重要的技術指標。因此，膛壓測試技術的發展對火炮系統的發展起者舉足輕重的作用[2]。而測試儀器往往需要內置于火炸藥中，炮彈在發射或終點爆炸過程中火炮膛內的環境極其惡劣，因此要求測試儀器耐瞬時高溫高壓、抗高沖擊振動、適應長時間高低溫環境、能夠準確測出膛壓變化。本文所研究的是一種電容式的殼體測壓器，殼體理論上是很好的彈性元件，以這個思想設計了以測壓器的殼體作為壓力敏感元件的電子測壓器，實現壓力傳感器與殼體―體化，代替傳統的壓電傳感器，減小了體積，又降低了成本，提高了整體性能。
2.測試原理
測壓器主要機械結構由端蓋、內外筒、內筒定位環、絕緣墊等組成，其中外筒由高強度殼體構成，內筒為一薄壁圓筒，如圖2.1左圖所示。殼體由內外筒組成，外圓筒極板半徑為R，內圓筒極板半徑為r，若R很接近于r，可以將它看作一個不考慮電容邊緣效應的電容器，在內外圓間截取一個微圓，且外筒發生微小形變時，就可以把它看成一個平板電容器，整個電容器相當于無限個微型平行板電容器并聯而成。當內筒固定不動，外筒隨壓力產生微小形變，內外筒之間的間距R-r變小。從而改變內外筒的距離，相當于平板電極的間距減小，從而導致其電容量的變化。
圖2.1 機械結構示意圖
由電容式傳感器的原理式2.1可知，改變了極板間的距離可以產生微小電量。根據式1.1進一步得到關于殼體長度的計算公式1.2[3]。
（1.1）
（1.2）
C――電容改變的微小電量;L――內外筒相覆蓋的長度;R――外筒半徑;r――內筒半徑;ε――介質的介電常數;
3.測試系統
本測試系統如圖3.1所示包括內外筒設計的承壓殼體，硬件設計，接口電路設計以及上位機軟件設計。由分析可知傳感器殼體的初始電容值在36pF左右，電容變化值在0～10pF 的范圍內，膛壓信號頻率在2kHz左右。因此如果要達到高精度測量，則要求檢測電路必須能夠測量pF級的微小靜動態電容，達到10fF級的分辨率，10kHz左右的數據采樣頻率[4]。整個測壓器及其傳感器殼體體積很小，相應地要求整個電路模塊的體積盡量小，電池體積盡量小。小體積的電池的電量也小，而測壓器還要在高低溫環境下長時間保溫，這就要求電路的功耗盡量小。測壓器置于炮膛底部或炮彈藥筒底部，需要實現無人操作，等待外部壓力信號觸發測壓器而使之開始工作，完整地記錄完膛壓的變化曲線后停止工作，并要防止其由于電磁干擾信號出現誤觸發工作，最后從拋出的藥筒中取出測壓器，計算機通過接口讀出測試數據，顯示和處理測試結果。因此在電路設計中，需要進行觸發設計，負延時設計，電路狀態轉換設計;為了適應惡劣環境，要求電路可靠，抗電磁干擾，能夠保高低溫。簡言之，理想目標是設計出高分辨率、高采樣速率、低功耗、小體積、智能化、可靠性高的微小動態電容檢測系統電路模塊。
圖3.1 電容式測壓器系統總體示意圖
4.軟件設計
本上位機程序使用LABVIEW來實現，相對于VB（Visual Basic）語言，LABVIEW可以和USB接口電路中的CY7C68013A芯片更好的結合，通過調用庫函數節點將CY7C68013A的庫文件導入到LABVIEW系統當中，根據CY7C68013A庫函數的要求配置相關的函數，可以建立與CY7C68013A的實時連接，發送指定十六進制指令，命令MSP430完成相應的操作，包括設備檢測，電路編程，數據采集，軟件功能如圖4.1所示。除了和硬件相關的操作外，還可以對讀取和存儲的數據進行濾波、頻譜分析、和標準測壓器測出的曲線進行互相關分析，用來分析實測曲線與標準曲線之間的差值。
圖4.1 軟件系統功能圖
4.1 設備檢測
上位機調用庫文件中的OpenDevice函數打開USB設備再使用BulkWrite函數通過接口電路向外部的MSP430發送指定的十六進制命令，MSP430收到指令后向上位機發送256個字節的數據，上位機接到數據檢測第8位數據是否與設置的數據位一致，這里規定第8位數據位是固定不變的某一個數值的，也就是說如果返回的256個字節的數據中第8位的數據與規定的不一致則設備出現問題，可能沒有接入電源或者電路的某一部分沒有接好，一致則表明設備正常可以使用，顯示相應的電壓。
4.2 電路編程
上位機通過設置把需要的指定的參數發送給MSP430，例如采樣頻率，負延遲，觸發壓力等，MSP430收到數據后寫入芯片，改變測壓器電路的參數后，返回指定的數據。上位機對上傳來的數據判斷是否正確，正確即對電路編程成功。
4.3 數據采集
在設備檢測沒有問題，電路給定正確的采樣頻率，負延遲，觸發壓力的前提下，進行數據采集，通過LABVIEW的庫函數節點，調用庫文件中的BulkRead函數，讀取來自于MSP430通過接口電路上傳來的數據，將數據存儲為數組，顯示于波形顯示控件中。當數據讀取完畢時，通過CloseDevice函數發送關閉設備通信命令將所有數據保存為二進制文件，方便后期對數據回讀和處理。
5.軟件運行結果
模擬膛壓發生器可以產生模擬膛壓信號，通過發射藥快速燃燒產生的壓力、高溫高沖擊和電磁場與實際發射環境相當，所以利用模擬膛壓發生器產生的膛壓信號可以模擬真實的膛壓信號。通過模擬得到實驗數據在軟件中讀出的P-t曲線如圖5.1所示，5.1左圖是電容式測壓器經過定標，濾波后的一組數據，5.1右圖是標準傳感器經過定標，濾波后的數據。能夠看出電容式測壓器測出的數據的峰值達到200MPa，上升沿和下降沿基本吻合，下降沿后出現誤差，原因為電路板的耦合電容以及其它雜散電容對其造成的影響，另外，加工的誤差、殼體裝配以及溫度變化都可能是其與理論值有偏差的原因。可證明測壓器測試系統設計合理。
圖5.1 實驗數據對比圖
6.結束語
根據膛壓測試理論與電容測壓原理，設計了一種基于LABVIEW的電容式殼體測壓器測試系統，使用LABVIEW作為測試軟件不僅可以對實驗數據進行有效的分析，而且由于其強大的功能可以與硬件進行交互。使用LABVIEW是未來的一種趨勢。用殼體本身作為傳感部分，大大減小了測壓器體積與研制成本，最終實現了測壓器的微型化。體現了其低功耗的優點。該測壓器體積小，成本低，有廣泛的推廣價值。
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【關鍵詞】加速度計 電容 傳感器
中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2013）35-254-01
一、前言
MEMS是英文Micro Electro Mechanical Systems的縮寫，即微電子機械系統，是建立在微米/納米技術（micro/nanotechnology）基礎上的21世紀新型多學科交叉的前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術 ，它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。它研究的主要內容包括微型傳感器、微型執行器和復雜的微系統 ， 微機電系統技術的發展開辟了一個全新領域和產業，在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景，它對21世紀的科學技術，人類生產和生活方式將產生革命性影響，并在未來高科技戰爭中扮演著舉足輕重的角色，是關系國民經濟發展和國家安全保障的關鍵技術。利用MEMS技術，可以制成準確檢測病變的基因芯片、比手掌還小的飛行器、重量僅有幾十克的微小衛星……我們這里討論的微加速度計就是MEMS技術具體應用，顧名思義微加速度計就是來測量加速度的，實際應用中目的往往并不是測量加速度，而是速度，進而可以測量出直線位移，結合陀螺儀（MEMS的一種，用來測量角速度的），可以準確定位，這在航空航天，導彈制導等方面有廣泛的應用。
二、MEMS結構模型
MEMS加速度計主要有兩部分：微電子技術加工的電容性機械振動系統（Micro Electro Mechanical System）和帶有閉環反饋的信號轉換控制ASIC（Application Specific Integrated Circuit 特定用途集成電路）系統。
2.1 基本電路原理
MEMS傳感器有開環和閉環兩種。
該加速度傳感基于電容變化原理，慣性質體將加速度作用進行放大并轉換成電容極板的位移。差動電容的變化通過檢測電路變成電信號，在經過力平衡回路反饋。激勵可移動的電容極板始終處于平衡位置。反饋信號同時作為輸出，它表明了輸入加速度的大小。
2.2 MEMS機械系統結構分析
為了提高加速度計的工作靈敏度，通常采用電容式結構。我們這里所研究的加速度計屬于電容式結構的一種；采用質量塊-彈簧-阻尼器系統來感應加速度，它是利用比較成熟的硅加工工藝在硅片內形成的立體結構。質量塊是微加速度計的執行器，與質量塊相連的是可動臂；與可動臂相對的是固定臂。可動臂和固定臂形成了電容結構，作為微加速度計的感應器。其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經過立體加工形成的一種力學結構，它在加速度計中的作用相當于彈簧。
三、MEMS工作原理
加速度計的工作原理可概述如下：當加速度計連同外界物體（該物體的加速度就是待測的加速度）一起加速運動時，質量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運動。質量塊發生的位移受到彈簧和阻尼器的限制。顯然該位移與外界加速度具有一一對應的關系：外界加速度固定時，質量塊具有確定的位移；外界加速度變化時（只要變化不是很快），質量塊的位移也發生相應的變化。另一方面，當質量塊的發生位移時，可動臂和固定臂（即感應器）之間的電容就會發生相應的變化；如果測得感應器輸出電壓的變化，就等同于測得了執行器（質量塊）的位移。既然執行器的位移與待測加速度具有確定的一一對應關系，那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關系，即通過輸出電壓就能測得外界加速度。
四、MEMS的應用
MEMS具有廣闊的應用前景。目前，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品，其中微傳感器占相當大的比例。微傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。
4.1微機械壓力傳感器
微機械壓力傳感器是最早開始研制的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術和犧牲層技術為基礎制造。從敏感膜結構來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結構。
4.2微加速度傳感器
硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的微機械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。國內在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學微電子所開發的諧振式微加速度傳感器。
4.3微機械陀螺
角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。傳統的陀螺儀是利用高速轉動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結構復雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導航方面，而難以在一般的運動控制系統中應用。
4.4微流量傳感器
微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達到很低的測量量級，而且死區容量小，響應時間短，適合于微流體的精密測量和控制。目前國內外研究的微流量傳感器依據工作原理可分為熱式（包括熱傳導式和熱飛行時間式）、機械式和諧振式3種。
4.5微氣體傳感器
根據制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。
五、結論
用MEMS技術加工制作的微結構傳感器具有微型化、可集成化、陣列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生產、可實現多點多參數檢測等一系列優點，受到各國研究者的重視。盡管目前開發的傳感器還有某些不足之處，例如靈敏度低、工作溫區窄、精度不高。但是，隨著科研工作者的深入研究，在不久的將來必有更多結構更新、性能更優異的實用化的傳感器問世
參考文獻：
[1] 沈景春 ，MEMS數字檢波器結構與原理分析，2008年。
[2] 黃慶安，硅微機械加工技術，科學出版社，1996年。
【關鍵詞】數字；傳感器；應用
0 前言
各類科學實驗中，數據的測量是實驗成敗的關鍵。如果單靠人力來進行數據測量，難免會出現各種各樣的誤差和錯誤。傳感器則能有效地解決這類問題，相比人力測量，使用傳感器能極大程度上避免了錯誤的發生，但是誤差問題卻依舊存在。隨著傳感器的發展，數字傳感器的出現有效地解決了錯誤和誤差問題，并且數據的讀取和記錄方式也給科研人員帶來了極大的便利。現在，數字傳感器得到了廣泛的應用，從航空航天到個人消費電子，它們的身影無處不在。
1 數字傳感器的應用領域范例
1.1 傳感器在停車場的應用
很多國外汽車廠商已經開發出了自動泊車系統，并已配裝了許多高端車型，這是數字傳感器應用很成功的一個范例。該系統是通過傳感器發射信號并接收反射信號，來計算車與墻壁、車與車之間的間距，再通過智能程序控制汽車走位，來實現智能泊車。常見的包括射頻，紅外或者超聲波等傳感器，許多停車場的墻壁上也安裝了此類傳感器，當汽車距離墻壁太近時，系統將報警提醒駕車人，以免發生事故。這些系統的應用大大提高了泊車的安全系數，方便了司機們的起車和泊車，同時對停車場的管理帶來了極大的便利。
1.2 傳感器在儀器電路中的應用
傳感器在儀器電路中的應用也十分廣泛。日常生活中的很多常見的物品都運用到了數字傳感器。例如菜市場常見的電子秤，大街上常見的路燈，家里常用的壓力鍋……這些物品中的數字傳感器能夠將我們所需的數據更快更準確的顯示在我們眼前。有些傳感器負責檢測有用的數據供人們查看，而有些傳感器能保護設備儀器甚至人身的安全。這類傳感器通過將檢測到的物理信號轉換成電信號，通過程序處理，對相關負載進行控制，使儀器維持在安全的狀態。總之，數字傳感器在各類儀器中的應用必不可少。
1.3 傳感器在水利工程方面的應用
在水利工程方面，傳感器的應用也尤為廣泛，例如控制壓強和溫度的壓力傳感器和溫度傳感器。傳感器可以將非電信號的變化轉換為電信號，以水位傳感器為例，當傳感器中的線圈固定不動，氣壓推動隔膜帶動磁芯使其與線圈之間的相對位置發生變化，線圈的電感量發生變化，導致線圈中電流變化，通過感應電阻轉換成變化的電壓輸出變量，由此實現了水位由非電信號到電信號的變換。這些傳感器除了能及時地掌握工程狀況，確保其安全外還能滿足對工程進度的診斷、預測以及研究。數字傳感器在水利工程方面的應用使得工作人員能更加科學有效的做好工程的控制和規劃，也杜絕了工作人員依靠經驗判斷而導致工程出現安全隱患。水利工程方面傳感器的應用還體現在了位移傳感器上，例如三汊河河口閘工程中應用了位移傳感器，該工程2008年3月完工后，歷經3個多月時間運行，使用情況良好，未發現任何質量問題，有效地保證了水閘的自動化控制運行，達到了理想的改造目的。
2 常見的部分數字傳感器的介紹
2.1 三軸數字磁傳感器
三軸數字磁傳感器能夠對速度、方向、加速度的變化甚至最細微的運動做出立即響應。地球磁場在三維坐標系中可以將地球磁場分為垂直分量和兩個水平分量，常見的三軸數字磁傳感器HMC5883L就是用來采集這三個分量的值。該傳感器目前有應用于家庭游戲機Wii，以及更多的日常常見的電子用品中。由于三軸數字磁傳感器對于運動的響應特別明顯，對于細微的運動也格外地敏感，三軸數字磁傳感器運用到了我們日常生活中需要通過微小的變化來進行控制的機器上，例如手機、平板、筆記本電腦……如今，越來越多的電子設備朝著便攜的方向發展。而便攜所帶來的隱患就是機器的易損毀。于是，技術人員們就在嘗試著研發出更加穩定可靠的便攜式設備。三軸數字磁傳感器極大地推進了這方面的研究，這種傳感器通過對設備周邊環境的變化對機器所處的位置進行判斷，并在適合的時候加以保護。
2.2 數字電容式傳感器
數字電容式傳感器是將機械位移量轉換為電容量變化的傳感器。基于鎖相環的頻率-數字轉換原理，當振蕩器接收到信號時，會發射一個響應頻率的信號。鑒相器通過對這兩個信號的相位差的判斷繼續輸出一個數字信號。而這個數字信號就會對應地轉換成為相應的數據來控制振蕩器，從而影響環路的振蕩頻率。而其他的影響因素則為板間距離和正對面積。當這些量的數值發生改變的時候，傳感器所顯示的數值就會發生變化。如今，機電一體化發展迅速，就出現了一種數字電容式液位傳感器，它替代傳統投入浮子式油箱液位傳感器。利用電容量隨電容極板間介質的介電常數變化這一原理，通過測量變化的電容量得到剩余燃油量，同時監控油箱內部的溫度。數字電容式液位傳感器有自補償功能，消除了溫度和燃油雜質對測量結果產生影響，無可動部件的設計增加了它的使用壽命，令測量結果準確，實時。不僅如此，生活中所用到的可以通過旋轉旋鈕控制燈光亮度的臺燈正是運用了通過改變正對面積進而改變電容進而改變信號的原理。現今生活中，數字電容式傳感器更是應用在了觸摸屏上、導航系統中、游戲設備里……可謂處處皆有數字電容式傳感器的身影。
2.3 水利工程方面應用的傳感器
在水利工程方面，比較常見的一種傳感器是網絡數字水位傳感器。網絡數字水位傳感器在普通的數字水位傳感器的基礎上添加了通訊技術，使得傳感器不僅具有自我檢測、自我校準、自我診斷的功能，還添加了網絡通訊的功能，更加方便了用戶的使用。在全自動洗衣機里就應用到了水位傳感器。我們常見的水位傳感器有兩種：開關式和電子式。開關式水位開關由于檔位少，不能滿足對于水的多方面控制，現在很少再采用，而電子式水位開關檔位多、線路少、精度較高且具有較強的防浪涌功能等優點，因此被廣泛應用于各種實用水位采集中。網絡數字水位傳感器的應用可以預防一些災情的發生，通過各種電路的檢測，實時掌握水位情況，并通過網絡通訊，使工作人員更及時地掌握水位情況，在災情的預防和情勢的控制上更加的便利。
3 結語
數字傳感器的發明是人類社會的一大進步，也為科技的進步奠定了優良的基礎，為科研人員的工作提供了便利和更加精準的實驗結果，讓各類實驗在得出結果的過程中能夠利用更為準確的數值測量得更為客觀、正確，方便科研人員得到更加精準無誤的結論。不僅如此，數字傳感器在日常生活中的運用也讓人們的生活更加的安全、便利。隨著科技的進步，數字傳感器的運用會越來越普遍，人們將在生活得各個角落都運用到數字傳感器。數字傳感器在生產生活中的地位將越來越穩固，越來越不可替代。也會隨著數字傳感器的大量使用，它的許多弊端也會逐漸顯現出來，但這并不影響人們對它的應用。科研人員們將會在實踐中不斷地改進、完善數字傳感器，讓數字傳感器更好地為人們服務、提供便利。
【參考文獻】
介紹了一種基于STC89C52單片機的棉花水分檢測儀的組成及工作原理，分析了棉花水分檢測原理，進行了系統的硬件和軟件設計。通過選擇合適電路元件，改進設計方法，使該檢測儀滿足棉花水分智能檢測的要求。
關鍵詞：棉花；水分；水分檢測儀
棉花是世界上最主要的農作物之一，是僅次于糧食的第二大農作物，也是關系國計民生的重要戰略物資。棉花的品質在收購、加工、儲存等過程中受到多種因素的影響，特別是超高水分對棉花的質量影響很大。因此，棉花水分檢測是棉花各個環節檢驗的一項重要內容。準確和快速地測量棉花水分直接影響到棉花收購的質量以及后續的存儲加工等工作。隨著科技的不斷發展，我國的棉花收購檢驗工作正朝著規范化、儀器化的方向發展，最終達到棉花的水分檢驗準確和可靠[1]。
目前，在我國大量使用的棉花水分檢測儀，仍停留在早期的研制水平，基本上是最開始所研制的電阻式水分檢測儀，這種儀器存在著體積較大、攜帶不方便、操作繁瑣、數據顯示不直觀等缺陷[2]。因此，研制一種操作簡單、便攜式攜帶方便的棉花水分檢測儀器已勢在必行。本設計采用STC89C52單片機為核心，這種單片機具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點，特別適合于便攜式智能儀器的研制，旨在滿足棉花水分智能檢測儀的要求。
1 系統的組成
便攜式智能棉花水分檢測儀主要由STC89C52單片機、數字溫度傳感器DS18B20、電容式水分傳感器、串口通訊RS485、人機界面顯示與按鍵、電源及電源處理模塊等組成。棉花水分檢測儀的設計原理圖，如圖1所示。
該棉花水分檢測儀主要包括上位機和下位機兩大部分。其中上位機主要包括電源、電源開關、按鍵、顯示屏、交直流選擇按鈕等，下位機主要包括測濕電容及相關電路、溫度傳感器等。電源包括DC（直流6V）和AC（交流220V）兩種電源，可根據實際檢驗情況任選其一。該棉花水分檢測儀的結構特點是采用交直流兩用電源，因而擴大了儀器的使用范圍，具有攜帶方便、實用性強的優點[3]。
整個棉花水分檢測儀的工作原理為：溫度信號和濕度信號由各自傳感器輸出，經過放大、濾波后輸入到單片機內，經過片內A/D轉換后進行數據處理，利用通訊接口RS485，將單片機處理完的結果送入上位機以便于數據的分析和整理，實現了單片機與上位機即計算機的通訊。
2 水分檢測原理
當電容器以棉花為介質時，其電容值隨棉花水分的變化而不同，棉花水分檢測儀就是利用這一特點來進行棉花（籽棉）含水率的非電量轉換。電容器的電容大小與極板間材料的介電常數有關，把被測棉花當作電容的中間介質時，其介電常數取決于棉花中的含水量，通過測量電容的大小就可得到棉花含水量[4]。與此同時，棉花水分檢測儀的具體檢測效果還受棉花溫度、棉花蓬松程度、棉花含雜率等其他因素的影響。因此，棉花水分的非線性校正和溫度補償是棉花水分檢測儀開發的技術關鍵[5]。本設計中的棉花水分檢測系統由待測電容（測量傳感頭）、參考電容、阻容脈沖轉換電路、數字溫度傳感器、單片微機、RS485 通訊模塊等單元組成。工作過程是：待測電容和參考電容分別產生脈沖信號，脈沖信號的脈沖數與電容器的容值負相關，一定時間內兩列脈沖序列的脈沖數之差與待測物料的水分正相關，單片機通過計數器檢測在一定時間內的脈沖數之差，將此數與數字溫度傳感器產生的溫度測量值一起通過RS485串行總線發給上位機即計算機[3]。
該方法的關鍵是測量電容，常用的電容測量方法是給電容加上交流信號后，通過測量電容兩端的阻抗并經過換算得到電容值，這種方法需要相應的電路和元器件來實現，主要包括交流信號發生電路、交流電橋以及A/D轉換器等。這種測量方法存在電路相對復雜，元器件較多，不適用于便攜式設計使用。為了適應便攜式設計，需要簡化電路，該設計中采用充放電電路將電容測量轉變為頻率的測量[6]。把對敏感電容的測量轉化為對輸出信號頻率的測量，電容隨著棉花濕度的變化而變化，則輸出的信號頻率也就隨著棉花濕度的變化而變化，從而可以實現測量頻率就可以得到棉花的含水量[4]。
3 系統硬件設計
硬件是該檢測儀的主要部分，設計的好壞會直接影響到檢測儀的諸多性能。在硬件設計中主要考慮選用一些低功耗和性價比高的電路元件，同時要盡量減少所有的電路，以減小檢測儀的體積，也要保證檢測儀良好的性能、較小的電耗和低廉的價格等。
整個硬件系統分為以下幾個模塊：
（1）信號采集處理控制系統模塊。包括水分信號采集、溫度補償信號采集、壓力補償信號采集、通信電路（信號傳遞）和單片機控制部分。
（2）按鍵和顯示控制部分模塊。包括顯示的部分、按鍵部分、上位機即計算機控制部分。
（3）電源電路模塊。電源電路主要為系統的各個子電路提供獨立電源。
本檢測儀的單片機選用STC89C52RC單片機，這是一款低功耗、高性價比的微型處理器。它集成了很多硬件功能，配置簡單、明晰，具有較強的抗外界干擾的能力。本設計中溫度傳感器選用DS18B20，這種數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式等。具有耐磨耐碰、體積小、使用方便、封裝形式多樣等特點。適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。該種溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度值的位數是12位，溫度轉換時的延時時間為750ms。
4 系統軟件設計
根據檢測儀功能要求和系統硬件電路設計，在軟件部分的設計中應能完成信號的數據采集、濕度數字顯示、按鍵設定以及開關量的輸出等功能。為此，需要在儀器操作面板上設置開機、測量、復位、結束和上傳5個功能鍵[2]，分別實現不同的功能，實現智能檢測。
為了方便程序調試和提高軟件的可靠性，本檢測儀的軟件設計采用了模塊化程序結構，系統的整個軟件包括系統主程序、主監控程序、數據采集與處理子程序、鍵盤顯示管理子程序等。系統主程序是鍵盤掃描程序，這是一段無限循環的程序，當有鍵按下時即開始運行，沒有鍵按下時則循環判斷。主監控程序主要功能是完成系統初始化、自檢、中斷管理分配等，通過中斷調用其他相應程序[2]。
5 結論
在本設計中采用了高性價比、高性能、低功耗等功能部件，采用了合適的設計方法，由此設計出的棉花水分檢測儀具有低功耗、低成本、結構簡單、測量準確、精度較高、性能穩定、智能化和使用方便等特點。該棉花水分檢測儀可用于棉花收購、加工、紡織、檢驗等各部門對棉花含水量的快速測定。
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