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在高度發達的現代社會中，科學技術的突飛猛進和生產過程的高度自動化已成為社會發展的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在強大的信息工業基礎上。人們只有從外界獲取大量準確、可靠的信息，再經過一系列的科學分析、處理、加工，才能認識和掌握自然界中的各種現象及其相關發展變化規律，進而促成科學技術的發展。現代信息技術的三大基礎是信息采集，信息傳輸和信息處理，而信息采集用到的便是傳感器技術。傳感器是信息采集系統的首要部件，是實現現代化測量和自動控制的主要環節。

傳感器，Transducer or Sensor，是一種能感受被測量并按一定的規律轉換成有用（與之有對應關系的且易于處理和控制）輸出信號的器件或裝置，它由三部分組成：敏感元件、轉換元件和測量電路。傳感器的分類方式有多種，其中按照工作原理分類，可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器、熱敏式傳感器。而這里要論述的是電容式傳感器。

電容式傳感器是一種把非電物理量轉換成與之有確定對應關系的電容量，再通過測量電路轉換成電壓（或電流）信號的一種裝置。它在非電量檢測中應用十分廣泛。

電容式傳感器具有溫度穩定性好、結構簡單、動態響應好、可實現非接觸測量等優點；但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點也給它的應用帶來了一定的局限性。隨著材料、工藝、電子集成技術的發展，使電容式傳感器的優點得到了發揚，而缺點也在不斷的克服中，電容式傳感器逐漸成為高靈敏度、高精度的傳感器。

一、電容式傳感器的工作原理

電容式傳感器實質是一種有可變參數的平行板電容器。平行板電容器是由兩塊相距很近的平行金屬板，中間夾上一層絕緣物質構成。其中這兩塊金屬板稱為電容器的極板，絕緣物質稱為電介質。電容器的電容量與兩極板間介質的介電常數、兩極板的相對覆蓋面積，兩極板間距離有關。這三個參數的改變均使電容C發生變化。因此可以固定其中兩個參數不變，而使另外一個參數改變。如果變化的參數與被測量之間存在一定的函數關系，那被測量的變化就可以直接由電容的變化反映出來。由此，可以把電容式傳感器分為三種類型：

1.變面積式電容傳感器――兩極板的相對覆蓋面積變化，介電常數、極板間距離不變。

2.變極距式電容傳感器――極板間距離變化，介電常數、極板的相對覆蓋面積不變。

3.變介電常數式電容傳感器――介電常數變化，極板的相對覆蓋面積、極板間距離不變。

二、電容式傳感器的測量電路

電容式傳感器的測量電路主要是把電容轉換為電壓（或電流）輸出，常用的測量電路有：普通交流電橋、緊耦合電感臂電橋、變壓器電橋、雙T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調制電路、調頻電路。

三、電容式傳感器在應用中應注意的問題

（一）溫度的影響

物質有熱脹冷縮的特性，電容器也不例外，當環境溫度改變時，電容式傳感器的各部件的幾何尺寸和相對位置將發生變化，由于電容器因為極板間距很小而對結構尺寸的變化特別敏感。此外電介質的介電常數也會因為溫度的變化而發生改變。而要減小溫度對測量結果的影響，可采取以下方式：

（1）在設計電容式傳感器時，選擇合理的極板間距。

（2）在制造電容式傳感器時，選用溫度膨脹系數小，幾何尺寸穩定的材料及電介質。

（3）測量電路采用差動對稱結構。

（二）電容電場的邊緣效應

所謂電容電場的邊緣效應指的是在極板的邊緣附近，電場分布是不均勻的，這就相當于傳感器并聯了一個附加電容，導致傳感器的靈敏度下降和非線性增加。為了減小邊緣效應對測量結果的影響，可采取以下措施：

（1）在制造電容器時，選擇合理的初始電容量。

（2）加裝等位環。具體做法為：在極板A的同一平面內，加一個同心環面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。使用時必須保持A和G等電位，故而稱G為等位環。這樣可使極板邊緣處的電場接近勻強電場了。

（三）寄生電容的影響

任何兩個彼此絕緣的導體均可構成電容器。電容式傳感器除了兩個極板間的電容外，還可以與周圍導體產生電容聯系。這種電容稱為寄生電容。有些電容式傳感器本身電容很小，那么寄生電容就會使傳感器電容量發生明顯改變。而且寄生電容極不穩定，從而導致傳感器特性的不穩定，對傳感器產生嚴重干擾。

為了克服寄生電容的影響，必須對傳感器進行靜電屏蔽，即將電容器極板放置在金屬殼內，并將殼體良好接地。同時，電極引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外套也要良好接地。

四、電容式傳感器應用舉例

（一）電容式接近開關

測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化，由此便可控制開關的接通和關斷，接近開關的檢測物體，并不限于是金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。

（二）電容式鍵盤

常用的鍵盤有兩種：機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產生電容量的改變，暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關是無觸點非接觸式的，磨損率小。

（三）電容式指紋傳感器

電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進行信息采集的。當指紋中的凸起部分置于傳感器電容像素電極上時，電容會有所增加，通過檢測增加的電容來進行數據采集。

（四）電容式聽診器

醫學上常用的電容式聽診器是一種單電容式壓力傳感器，一個極板在聽診器的內部，另一極板為聽診器的膜片。當繃緊的膜片受聲壓作用，極板間距發生變化，從而使電容器的電容發生變化，電容的變化與聲壓的大小在一定范圍內呈線性關系。

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電容傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的傳感器，具有結構簡單，動態響應好，靈敏度高，能測量微小變化等優點。廣泛應用于位移、速度、加速度等機械量精密測量。在實現運料車輛尋軌運行至指定位置，進行貨料稱重并完成卸載儲存的智能化倉儲管理系統中，利用電容式位移傳感器實現位移檢測，保障小車能夠準確停靠，其調理電路的設計至關重要，本文對此進行了研究。

1智能倉儲管理系統原理

智能化倉儲管理系統采用單片機控制，結合應變片傳感器、電容傳感器、A/D轉換模塊、H橋PWM輸出模塊、放大電路等，構成運料小車，其原理框圖如圖1所示。圖1中，應變片傳感器完成稱重功能，電容傳感器檢測位移，確定小車停靠位置。

2電容傳感器信號調理電路設計

在本電容傳感器信號調理電路設計中采用差動式電容傳感器，調理電路設計中采用二極管不平衡環形電路，差動輸出的電容量在調理電路中分別是Cx1和Cx2，其調理電路如圖2所示。電容式傳感器調理電路由與非門組成的多諧振蕩器、LM324構成的放大電路以及二極管不平衡環形電路構成。圖2中，U1A和U1B兩個與非門之間經電容C1和C2耦合形成正反饋回路。合理選擇反饋電阻R2和R3，可使U1A和U1B工作在電壓傳輸特性的轉折區，這時，兩個反相器都工作在放大區。由于電路完全對稱，電容器的充放電時間常數相同，可產生對稱的方波。改變R和C的值，可以改變輸出振蕩頻率。方波經過LM324運放放大后，送給二極管不平衡環形電路。二極管不平衡環形電路中的Cx1和Cx2為電容傳感器的兩個差動輸出的電容量，位移變化時，電容量發生變化。電容量的變化使得輸出端電壓含有直流分量，直流分量經過低通濾波后在輸出端得到不同極性的直流電壓。在系統中該直流電壓大小對應位移的變化，從而實現位移的檢測。二極管不平衡環形電路的設計如圖3所示。圖3中，Cx1和Cx2為差動式電容傳感器的兩個電容量，D4~D7為特性相同的4個二極管。與非門組成的多諧振蕩器輸出的方波經過放大后再經C4，L1隔離直流和低頻干擾信號，在MO端的電壓uMO為正、負半周對稱的方波。在uMO正半周時，一路經D4對Cx1充電，另一路經D5對Cx2充電。在uMO負半周時，一路經D6對Cx2充電，另一路經D7對Cx1充電。若初始狀態下Cx1=Cx2時，C5兩端的電壓uC5是對稱的方波，因此uNO（uNO=uMO-uC5）也是對稱的矩形波，沒有直流分量。當Cx1≠Cx2時，C5兩端的uC5為正負半周不對稱的波形，使得uNO存在直流分量，直流分量經過L2和C6低通濾波后，在輸出端得到不同極性的直流電壓Uo。

3電容式傳感器測位移實驗

搭建電容式位移傳感器調理電路的測試平臺，隨著位移的變化電容傳感器電容量發生變化，從而調理電路輸出電壓UO發生變化，經過多次實驗得到位移—輸出電壓的幾組數據，如表1所示；對得到的數據計算平均值，結果如表2所示。采用端點直線法，以傳感器校準曲線兩端點間的連線作為擬合直線，兩端誤差為零，中間大。取端點（x1，y1）=（0.2，65）和（x6，y6）=（1.2，613）.

4結論

針對電容式位移傳感器設計的調理電路進行試驗平臺搭建和數據分析，采用端點直線法進行擬合計算出非線性誤差僅為±0.27%，非線性誤差很小，設計的調理電路在實際應用中有很大的實用價值，能夠準確的測量微小變化的位移。

參考文獻：

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更大的濕度范圍；

駕駛與乘客因長期接觸轉換器與按鈕所造成的臟污。

圖1：基本的電容式傳感器

今日車用的按鈕與轉換器不僅比過去多了許多，還要能具備輕易建置的特性，以符合日趨人性化控制接口的需求，另外，還必須具備成本效益，避免采用密封封閉式的機械開關。因此，電容式觸控接口（capacitive touch switches，或稱為cap sense）是一個非常具有潛力的取代方案。電容式觸控接口技術不僅無須采用機械式控制元器件，還具備整合人性化接口的功能，十分符合汽車工業對于可靠性與成本效應的需求。

如圖1所示，電容式接口主要是由兩片相鄰電路極板（traces）所構成的電容器：而依據物理法，電容效應是存在于兩片電鄰線路極板之間的。如果有任何導電性的物體（例如：手指尖）靠近這兩片極板時，平行式電容（parallel capacitance）就會與傳感器產生耦合(couple)效應。因此，整體電容會隨著手指尖觸碰電容傳感器而增加；當移開手指時，電容則會隨之減少。所以只要利用一套電路系統來測量電容的變化，就可以判斷手指尖是否有碰觸到兩片相鄰的電路極板。

電容式傳感器是由兩片電路極板與一個機板空間所構成。這些電路極板可為電路板的一部分，上面直接覆蓋著一層絕緣層。電容式傳感器也可以采用玻璃印刷電路技術植入車窗玻璃，并應用于后擋風玻璃的除霧器上。另外，電容式傳感器不僅可以隱藏在曝曬印制圖案的背面，還能夠順應各種曲面的弧度，廣泛地應用于汽車的各種功能上。

圖2：典型弛張振蕩器拓撲

建構電容式界面的要素：

一組電容器；

電容量測電路系統；

從電容值轉譯成接口狀態(switch state)的近端裝置。

通常電容式傳感器的電容值介于10pF～30pF之間。普遍來說，手指尖經由1mm絕緣層接觸到接口所造成的耦合電容是介于1pF～2pF的范圍。越厚的絕緣層所產生的耦合電容則愈低。若要感應手指的觸碰，則必須建置能夠偵測到1%以下電容變化的電容感測電路系統。

弛張振蕩器（relaxation oscillator）是一種非常有效且易于使用的電容量測電路。一般常見拓撲如圖2所示：

這個電路由以下四種元器件組成：

一組同步比較器(comparator)

一組電流源

一組放電開關(discharge switch)

一組電容式傳感器。

最初，放電開關呈現開啟的狀態，此時全數的電流會流向傳感器，造成傳感器電壓呈現直線上升的現象。此充電動作將持續至傳感器電壓達到比較器閥值為止。這時，比較器會從低電壓轉為高電壓，進一步關閉放電開關。如此一來，電容式傳感器便會快速經由低阻抗路徑放電至地電位。當比較器輸出電壓從高轉低時，整個電路周期則會重復進行。依據下列的方程式，輸出頻率（fout）與充電電流呈現正比的關系；與閥值電壓和傳感器電容則呈現反比的關系。因此借著量測輸出頻率，就可以得知傳感器電容的大小：

假設充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率將。花在量測輸出頻率的時間越長，則可獲得越高的頻率分辨率。由于更高的頻率分辨率會產生更佳的電容量測靈敏度，因此增加量測時間也會相對的提高電容量測分辨率。而設計業者可分別依據不同的應用層面、傳感器尺寸與覆蓋絕緣體厚度等因素，調整量測電容的時間。

由上列的方程式，可以近一步推衍出下列電容方程式：

因此，顯然地我們還必須有輸出頻率周期的量測機制。圖3分別顯示周期量測方式的示意圖與波形圖。

圖3：周期量測方式示意圖

弛張振蕩器的輸出頻率在此代表脈沖寬度調變器（pulse width modulator, PWM）的頻率。PWM的輸出波形由低頻率與高頻率兩種脈波構成，頻率的實際值端視不同應用而定。PWM輸出信號則用來當成計數器（counter）閘門（gate）的信號。當此信號為高電位時，計數器會以fref的頻率累積其數值，并于閘門信號下緣(falling edge)產生中斷的情況，此時則可進行讀取或是重設計數器數值的動作。之前曾假設充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率。假設計數器的參考頻率為6MHz，則計數器在一個周期中所累積數值為46，兩個周期為93，而十個周期的計數器數值則為468。由此可知，計數器累積數值越多，產生的分辨率或是靈敏度也就會越高。設計業者可運用下列方法獲得更高的計數值：

提高計數器參考頻率

降低振蕩器頻率

增加閘門信號的周期次數

電容式接口傳感器采用可變更組態的混合信號數組（configurable mixed signal array），為設計業者提供一套具備成本優勢的解決方案，請參考圖4所示：

圖4：Cypress 可變更組態混合信號數組CY8C21x34的示意圖

Cypress 可變更組態混合信號數組CY8C21x34器件不僅內含建置弛張振蕩器所需的可變更組態模擬區塊，還具備作為建置周期量測裝置用的數字區塊。更重要的是，此器件還額外內建一組I/O模擬多任務器。多任務器的每一組針腳都具備一個開關器，可直接連結到模擬總線上。I/O模擬多任務器是一套大型的交叉式開關（cross-switch），能夠讓每一組針腳直接連結到控制系統上的模擬數組。此外，可編程電流源與放電開關也可直接與總線連結。這套內含多功能的可變更組態混合信號數組器件，可讓28個I/O針腳中的任何一個都能被當成電容式傳感器的輸入端使用。圖5顯示完整的電容式感測系統。

圖5：Cypress推出型號為CY8C21x34的可變更組態混合信號數組

當指尖同時放在兩組并列的電容式傳感器之間時，兩組傳感器很有可能皆會感測到指尖的碰觸。因此，設計業者可利用這樣的原理，近一步研發近似模擬的指尖位置感測裝置。

滑桿（slider）是由多個鄰近的傳感器所組成，在這樣的設計模式下，指尖接觸的范圍可以同時影響到多個傳感器。因此，受影響傳感器的電容值變化可用來計算質心(center of mass)與形心(centroid)。而計算出來的數值可精確的顯示指尖所在位置。圖6顯示滑桿的構成。

圖6：滑桿是由多個鄰近的傳感器所組成

如要達到多個傳感器同時感測出指尖碰觸的目的，設計人員在滑桿的設計上就必須考慮到傳感器的形狀。

恒速行駛操縱裝置（cruise control）為滑桿的應用之一。舉例來說，我們在里程計速度值上放置一排透明的電容式傳感器，只要在55與60兩個數值之間輕輕的點一下，即可將行車時速設定為57 mph。此外，內建電容式觸控傳感器的滑桿也可應用在車燈、音響音量控制等任何測量用的應用裝置上。

隨著車用自動控制儀表板的設計日趨復雜，要將所有的控制鈕建置在其有限的空間中也變得更困難。由于許多車種的方向盤內都已裝設安全氣囊，當安全氣囊迅速膨脹時，可沒有人希望被一大堆機械器件砸在身上，因此，一般的汽車設計業者都會避免在方向盤的表面上裝置控制鈕。然而，電容式傳感器只是被電鍍在安全氣囊蓋后方的電路極板，并沒有任何機械元器件。若是鍍裝有困難，也可以超薄電路板(flex circuit) 取代，并以鑲嵌的方式裝置在安全氣囊蓋后方。

車窗是另一項電容式觸控技術尚未觸及的領域。您是否想過直接把車窗除霧器的控制接口直接建置在車窗上？也許現在已經有設計業者將雨刷控制器直接安裝在擋風玻璃上了。也許未來設計人員會在位于門把上方的玻璃上加裝觸控式數字控鎖接口，車主只需要在車窗的傳感器上輸入正確的密碼，便可控制汽車門鎖。設計業者只要采用玻璃印刷電路技術或印制技術，就可將這類的電容式傳感器建置在物體的表面。設計人員不僅可將這些傳感器設計成常見的按鍵形式，也可自由發揮創意，將傳感器以品牌或是車款名稱，加裝在車窗上(如圖7所示)。

或許公司的營銷人員會對圖7這樣的設計建議表示關切，因為消費者可能會質疑當他們搖下車窗時，是否仍能順利的打開車門？

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生物識別技術是一種通過人體特征來確認身份的認證技術，它能立刻強化安全，并且將用戶從密碼地獄中解放出來。生物識別可用在很多地方，比如：視網膜識別、面部識別、簽名識別、聲音識別技術、指紋識別技術等。在所有的生物識別技術中指紋識別技術是目前最為成熟，也被應用最廣的生物識別技術。它是用人體的指紋特征對個體身份進行區分和鑒定，具有唯一性、穩定性、難于偽造的特點，而且識別的準確率較高。使它在身份識別和認證領域以及安全性能要求較高的行業中得到廣泛應用。指紋識別技術即將迎來一個跳躍性發展的黃金時期，巨大市場前景，將對國際、國內安防產業產生巨大的影響。

二、FPC1011C傳感器的總體特征

FPC1011C的工作原理和性能特點

FPC1011C電容式指紋傳感器是瑞典FingerPrint Card公司推出的目前最先進的電容式指紋傳感器，該電容式指紋傳感器利用了該公司擁有專利的反射式探測技術（以往的電容式指紋傳感器采用的一般是直接式探測技術），使指紋傳感器的表面保護層厚度可以達到普通電容式指紋傳感器的100倍左右，因此使指紋傳感器具有更高的對干濕手指的適用性和更長的使用壽命。

主要特征和性能如下：

① 指紋圖像大小：152*200

② 圖像分辨率：363 DPI

③ 傳感器圖像面積：10.64*14.00mm

④ 采集原理：電容式，反射式探測法

⑤ 探測位置：真皮層

⑥ 高速的SPI接口

⑦ 3.3V或2.5V的工作電壓

⑧ 抗靜電達15kV以上

⑨ 使用壽命達100萬次以上

⑩ 使用溫度：-20℃~60℃

  2 模塊的硬件設計

該系統是由DSP、FPC1011C指紋傳感器、SDRAM和FLASH、RS232接口等硬件組成。

① 工作原理

用戶通過PC端軟件發命令給指紋識別模塊，FPC1011C電容式指紋傳感器采集用戶的指紋，DSP通過SPI接口讀取從傳感器過來的指紋圖像，將指紋圖像存儲到SDRAM中，DSP運用指紋識別核心算法對圖像進行運算，將運算出來的特征點和存儲在Flash的特征點進行比對，再通過指紋識別模塊將比對結果輸出給PC端顯示比對結果。系統的原理框圖如圖1所示。

  圖1 模塊的硬件設計框圖

 

② 指紋傳感器部分的硬件設計

DSP通過SPI口讀取FPC1011C的指紋圖像，并通過PF口來控制片選控制信號，FPC1011C指紋圖像傳感器通過SPI(串行外設接口)口和外部進行通信，通信時，需要把傳感器設置成從機模式，DSP設置成主機模式，同時要把從機CPOL和CPHA 設置為 0的數據傳輸模式，指紋圖像的最大傳輸速度可達4M/s(=32MHz)。

傳感器部分的硬件電路示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器部分的硬件電路接口圖

3 傳感器的驅動軟件設計

采用ADI公司的VisualDSP++ 4.5集成開發環境軟件進行C語言編程。按時序把指紋圖像放在SDRAM的固定地址中，通過仿真器進行調試，并讀出所采集的指紋圖像，觀察指紋圖像質量，進而調整指紋傳感器的參數，使采集到的圖像效果達到最佳。

FPC1011C的指令概要：

指令指令代碼描述rd_sensor11 H開始采集指紋圖像（數據采用FIFO方式）rd_spidata20 H采用FIFO方式讀（僅在SPI接口時有效）rd_spistat21 H通過SPI接口讀取內部狀態寄存器（僅在SPI接口時有效）rd_regs50 H讀取內部狀態寄存器（所以寄存器在一次操作中讀出，寄存器的內容通過FIFO方式存放）wr_drivc75 H寫DRIVC寄存器，設置傳感器的電壓振幅wr_adcref76 H寫ADCREF寄存器，設置ADC靈敏度wr_sensem77 H寫SENSEMODE寄存器,設置自測試模式wr_fifo_th7C H寫FIFO_TH寄存器,通過FIFO方式設置數據有效信號wr_xsense7F H移位數據到XSENSE寄存器wr_ysense81 H移位數據到YSENSE寄存器wr_xshift82 H寫XSHIFT寄存器，設置X方向的移位數據wr_yshift83 H寫YSHIFT寄存器，設置Y方向的移位數據wr_xreads84 H寫XREADS寄存器，在移位YSENSE寄存器之前設置同一行的讀取數目

① 傳感器初始化程序設計

/****************************************************/

/*init SPI          */

/*CPOL and CPHA must be set 0      */

/****************************************************/

void segment (""L1_code"") Init_SPI(void)

{

  *pSPI_CTL &= (~SPE); //disable SPI

  *pSPI_BAUD = 0x23;  //SPI Master Baud Rate = SCLK / (2 × SPI_BAUD)

  *pSPI_STAT = TXCOL RBSY MODF TXE; //Master Mode;Active high SCK;8 bit;

*pSPI_CTL = MSTR TIMOD_RAW_TX GM  WOM SZ;

}

/*******************************************************

/The default parameter setting for FPC1011C(3A or 3B)

/DrivC  = 0x7F

/ADCRef = 0x02

/ Adaptive Gain Control FPC1011C；

*******************************************************/

void  segment (""L1_code"") Init_FPC1011C(void)

{

  // default setting DriveC=127, ADCRef=2

  SPI_SendByte(WRITE_DRIVC);

  SPI_SendByte(DriveC);

  SPI_SendByte(WRITE_ADC_REF);

  SPI_SendByte(ADCRef);

}

② 采集指紋圖像程序設計

/*******************************************************

/Read Image

*******************************************************/

void  segment (""L1_code"") Read_FPC1011C_Img(void)

{

unsigned char val,i1,j1;

unsigned short j;

unsigned short cnt=0;

Start_SPI();

Init_FPC1011C();

SPI_SendByte(READ_SENSOR);

SPI_SendByte(0x00);

for(j=0;j

{

    SPI_SendByte(READ_SPI_STATUS);

    SPI_SendByte(0x00);

    val = SPI_RecByte();

}

SPI_SendByte(READ_SPI_DATA);

SPI_SendByte(0x00);

for(i1=0;i1

{

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文獻標識碼：A

文章編號：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

隨著公路運輸業和商業貿易的不斷發展，車輛載荷檢測技術已成為測量領域研究的重點。目前比較常用的車輛動態載荷檢測傳感器主要有彎板、壓電軸、單傳感器、車載電容傳感器及光纖傳感器［1-4］。這些載荷檢測傳感器多適用于固定式安裝，對路面情況要求較高，即使一些便攜式車輛載荷檢測傳感器也因為重量過重、體積過大的缺點無法真正實現便攜測量。同時，一些傳感器測量技術過于復雜，傳感器價格過于昂貴。因此，為了減小安裝和維護成本，提高車輛動態載荷檢測系統的便攜性，本文提出了一種電容式車輛載荷檢測系統，該系統中載荷檢測傳感器采用差動式結構，大大提高了測量的靈敏度和非線性，電容測量線路采用差動脈沖寬度調制集成測量電路，數據的采集和處理采用自帶A/D轉換器的STC89LE516AD單片機芯片，數據通信采用無線通信模式。這種載荷檢測系統結構簡單，成本低廉，安裝方便，差動式電容載荷傳感器抗干擾能力強、動態響應好、測量范圍寬、靈敏度高、穩定性能好。

1 差動式電容車輛載荷檢測系統

差動式電容車輛載荷檢測系統如圖1所示。

圖1 差動式電容車輛載荷檢測系統組成框圖

車輛載荷檢測裝置為便攜式，使用時鋪設在路面上。手持裝置為測量系統控制單元，通過無線通信方式對檢測裝置發出指令和接收數據。載荷檢測傳感器采用差動式電容載荷傳感器［5］，傳感器將載荷的變化轉變為電容值的變化。電容測量電路采用獨特的差動脈沖寬度調制集成電路，將來自于差動式電容載荷傳感器的極其微弱的電容信號采集出來，并轉化成易于檢測的電壓信號。數據處理模塊采用內部自帶8路8位A/D轉換器的電壓輸入型STC89LE516AD單片機芯片。數據處理模塊對信號進行A/D轉換、數據采集、數據處理，之后，將處理后的載荷結果輸出。為了減少線路鋪設的麻煩，增加工作人員的安全性，檢測系統的數據通信采用無線通信裝置。

2 差動式電容載荷傳感器結構及工作原理

差動式電容載荷傳感器結構示意圖如圖2所示。它主要由測量頭、外殼、敏感元件(彈性體)、定極柱、動極柱、電極、等位環、引出線等構成。其特點為：測量范圍寬；靈敏度高，便于拾取信號；極板間不接觸、不變形、不磨損，機械損失小、壽命長；電容傳感器受溫度影響小；動態性能好；結構簡單、適應各種惡劣環境和場合。

圖2 差動式電容載荷傳感器結構示意圖

傳感器的測量頭和殼體為間隙配合，兩者之間可相對滑動，并有定位螺釘定位測量頭的初始位置，定位螺釘同時也起到測量頭滑動時的定向作用，還可使施力物體保持相對穩定。測量頭由敏感元件(彈性體)支撐，它受外力作用后把該力傳給敏感元件。敏感元件(彈性體)位于測量頭和殼體之間，起感受外力并按一定關系轉化為機械位移量的作用。動、定極柱為中空圓柱型，其表面鍍有電極。動極柱與測量頭粘接為一體，隨測量頭一起滑動。定極柱與殼體粘接為一體，相對固定不動。在動、定極柱電極的兩端均設有等位環，以減小電容邊緣效應，提高測量精度。

當差動式電容載荷傳感器受外力F作用時，測量頭把該力傳給敏感元件，敏感元件是彈性系數為k的彈性體，在該力作用下發生彈性變形，其變形量d與作用的外力成正比。敏感元件的變形使得測量頭以及動極柱上的電極移動同樣的距離d。此時，差動電容載荷傳感器的電容值將產生相應的變化，其變化量為Δc，測量頭移動的距離d與傳感器輸出電容的變化量Δc成正比。由此可知，被測物體所受外力F與差動式電容載荷傳感器的輸出電容變化量Δc成正比，即：F=kL2c0Δc(式中，k為敏感元件的彈性系數;L為動極柱與定極柱初始覆蓋部分長度;c0為單個電容電極間的初始電容)。只要由測量電路檢測出電容的變化量Δc，就可知物體所受的外力F。

3 電容測量電路

差動式電容載荷傳感器是將被測載荷的變化轉換為電容量的變化輸出，而電容傳感器所產生的電容量很微小，電容極板引線與地之間產生的雜散電容往往大于被測電容。因此小電容轉換測量技術一直被人們所重視。然而，一般的檢測電路結構比較復雜，精確度較低，不能滿足測量要求。為了提高測量的靈敏度，針對差動式電容載荷傳感器，在基于四相檢測技術的電荷轉移式電容檢測電路［6］的基礎上，設計采用了差動脈沖寬度調制集成測量電路［7］，該電路具有集成度高、實現了電容傳感器頭有源化、輸出脈沖方波、省去高頻激勵信號源、功耗低、抗干擾能力強、分辨率高等特點，尤其適合差動式電容傳感器的測量。其內部結構框圖如圖3所示，圖中的虛線框內為差動式電容傳感器的兩個可變電容C1和C2。

圖3 差動脈沖寬度調制集成電路內部結構框圖

工作原理如下:設直流電源接通時，Q端為高電平，Q端為低電平，則信號控制單元使充放電網絡1向電容C1充電，C1上電壓漸升，一旦達到電路控制電平值，信號處理單元使Q端立即變為低電平，而Q端為高電平；此時，電容C1上的電壓經充放電網絡1迅速放電至零，同時信號控制單元使充放電網絡2向電容C2充電，C2上電壓漸升，一旦達到電路控制電平值，信號處理單元再次使Q端為高電平，Q端為低電平；于是又開始下一周期的C1充電C2放電，……，如此周而復始，在差動脈沖寬度調制集成電路的輸出端各產生一串其寬度受C1和C2電容變化量控制的矩形方波。當C1=C2時，Q和Q端電壓波形反相對稱，從Q端與Q端取出的兩個平均值電壓之差將等于零。當被檢測的載荷使電容C1>C2時，兩輸出端的電壓平均值之差為：V0=ΔddV1 (其中V1為充電網絡輸入的電壓值)，可獲得較好的線性度。

4 數據采集與處理

數據的采集與處理單元采用自帶A/D轉換器的STC89LE516AD單片機芯片，完成數據采集、模數轉換、數據處理以及驅動顯示單元。當時鐘在40 MHz以下時，每17個機器周期可完成一次A/D轉換。STC89LE516AD單片機與差動脈沖寬度調制集成電路結合起來，完成電容傳感器的檢測。其主程序和A/D轉換程序流程圖如圖4,圖5所示。

圖4 STC89LE516AD芯片主程序

圖5 A/D轉換子程序

5 數據通信

數據的傳輸采用無線通信模塊。利用nRF401無線收發芯片和控制單片機89C52實現差動式電容車輛載荷檢測系統中的無線通信，具有硬件電路簡單、成本低廉、編程簡便、通信可靠性高等優點［8］。無線通信技術在車輛載荷檢測系統中的應用，使執法人員可以方便地通過手持儀器對公路車輛進行不停車載荷檢測，大大提高了工作效率。

無線通信裝置包括載荷檢測裝置和手持裝置兩部分。載荷檢測裝置接收手持裝置的指令，向手持裝置輸送載荷結果，必要時向手持裝置輸送車輛類型、車牌號數據，進行誤差校正；手持裝置中超聲波信號發射和數據接收裝置向載荷檢測裝置發出指令，接收來自載荷檢測裝置的數據；單片機系統接收數據后送給顯示裝置，并可以與PC機建立數據聯系；PC機形成局域網后，可以完成信息收集、顯示、查詢、檢索以及數據分析統計、處理、存儲等多項工作。

從圖1中可以看出，載荷檢測裝置對車輛的載荷進行檢測和處理，從單片機按照控制命令接收車輛的載荷檢測裝置的數據，與主機進行數據通信。圖6為從單片機構成的顯示及收發控制系統的硬件組成框圖，主要包括采集與數據處理模塊、看門狗、復位電路、電源監控電路、實時時鐘電路、無線收發模塊、控制單片機、信息輸出單元等部分。控制單片機選用Atmel公司的89C52。

圖6 從機顯示及收發控制系統硬件結構框圖

圖1中的手持儀器為主機，主機的硬件結構框圖如圖7所示，由控制單片機、顯示電路、看門狗、復位電路、電源監控電路、實時時鐘電路、按鍵、無線收發模塊，以及串行通信電路組成。

圖7 主機硬件結構框圖

當道路管理人員按動手持儀器的控制按鍵，要求讀取數據，主機接到命令后，向從機發送命令，通過無線收發模塊接收從機載荷數據，然后在手持儀器的顯示屏幕上顯示載荷信息和車輛有關信息，并且可以根據需要通過串口通信上傳至道路管理部門的計算機。與從機相比，主機多了一個用來與計算機通信的串行口。此串口采用RS 232標準，可用MAX232芯片實現。

6 結 論

基于差動式電容傳感器的車輛載荷檢測系統，具有機械結構簡單、性能可靠、測量電路簡單、抗干擾性好、體積小、性價比高等特點。實際的試驗測試結果表明，該車輛載荷檢測系統對車輛進行動態載荷檢測，車輛總載荷的測量誤差在10%以內，其精度優于ASTM E131-02給出的Ⅰ類WIM(Weigh-in-Motion)系統精度 (置信95%時總重誤差±10% ) ，可用于交通數據采集，尤其適合公路稽查人員進行便攜式測量，具有良好的使用前景。

參考文獻

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［6］楊三序.基于四相檢測技術的微電容傳感器［J］.傳感器技術,2003,22(10):13-15.

篇6

2穩定性分析方法

本文利用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩定性。文中定義誤差的年漂移量為使用后各濕度測試點誤差與使用前各濕度測試點誤差的差值，其中濕度測試點誤差為該測試點4次單次測量誤差的平均值。為研究誤差年漂移量的變化規律，文中分析了不同溫度條件下，誤差年漂移量的分布情況。討論了室溫（20℃）條件下誤差年漂移量隨濕度變化的規律以及同型號的兩被試件之間的一致性。為確定各種因素對誤差年漂移量的影響，文中采用方差分析法，分析了溫度、濕度以及觀測設備型號對誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。為檢驗現行濕敏電容傳感器的檢定周期是否合理，文中以中國氣象局對濕敏電容傳感器的要求為標準，對使用后靜態測試中14支濕敏電容傳感器的合格率進行了統計。

3穩定性分析結果

3.1誤差年漂移量隨溫度變化情況測試時選取了-30℃，-10℃和20℃3個溫度點，圖1為各被試件在不同溫度點誤差年漂移量的箱形圖，每個箱形的數據為7個濕度測試點的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點為最大值，最低點為最小值，箱形的上框線為上4分位值，下框線為下4分位值，箱內線為中位線，箱外“+”點為異常值。從圖中可以看出，對大多數被試件來說，低溫時中位線低，并且隨著溫度的降低，箱形和線段的長度增加，由此可知誤差年漂移量在低溫時較低，并且其分布隨溫度降低而變得分散。為定量表征誤差年漂移量隨溫度的變化規律，文中計算了誤差年漂移量的平均值和標準偏差。根據JJF1001-2011《通用計量術語及定義技術規范》的規定，當測量次數小于9次時，采用極差法計算標準偏差，如式（1）：表2給出了各被試件在不同溫度點時誤差年漂移量的平均值和標準偏差。總體來看，各被試件在-30℃時誤差年漂移量的區間為[-5.62，0.82]，-10℃時為[-3.73，0.95]，20℃時為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。

3.220℃時誤差年漂移量的變化規律南京市年平均氣溫為15.4℃，因此分析20℃時誤差的漂移情況具有更重要的意義。為了便于分析不同型號的被試件的誤差漂移情況，按照觀測設備型號將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時8種型號的觀測設備濕度測量誤差的年漂移量。從誤差年漂移量曲線的變化趨勢來看，在全量程不同測量段，誤差年漂移量有很大的差異。除I、IV型觀測設備圖2中（a）和（d）外，其余被試件誤差的年漂移量隨濕度的升高向y軸負向移動。在低濕點（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點（＞80%RH），誤差年漂移量的平均值為-1.04%RH。從圖2（a）～（f）中兩條曲線的關系來看，II、III、V、VI型觀測設備（圖2中（b）、（c）、（e）、（f））的兩套被試件之間的誤差年漂移量具有較好的一致性，兩被試件間誤差年漂移量的差值平均為0.5%RH。IV型觀測設備的兩套被試件除50%RH測試點存在1.81%RH的差異外，其余測試點誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測設備的兩套被試件一致性較差，兩被試件間誤差年漂移量曲線近似平行，其差值平均為3.2%RH。

3.3誤差年漂移量影響因素的方差分析事件的發生往往與多個因素有關，但各個因素對事件發生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗觀測值總偏差的可分解性，將不同因素所引起的偏差與試驗誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對測試點溫度、測試點濕度、觀測設備型號進行3因素方差檢驗，得出3個因素及其交互作用對誤差年漂移量的影響。為確定結果是否是“統計上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規定當α值小于0.01時，結果是顯著的。表3為多因子方差分析表，可以看出，溫度、觀測設備型號以及溫度和濕度交互作用的α值均小于0.01，表明溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設計制造水平對誤差年漂移量有顯著影響。

3.4濕敏電容傳感器檢定周期合理性分析為保證氣象資料的準確性和連續性，要求氣象儀器具有較好的穩定性。因此氣象儀器必須進行周期檢定以保障其準確性和氣象資料的可靠性，其中被試儀器的檢定周期則取決于它的穩定性。中國氣象局對濕度測量最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。參加試驗的14套被試件經過一年的動態比對試驗，使用后的靜態測試中有3套被試件仍符合技術指標要求，11套被試件不符合要求，不合格率為78.6%。儀器特性漂移產生的誤差可以通過檢定給出修正值予以解決，試行的GJB1758.26A《軍用氣象儀器檢定規程第26部分：地面氣象自動觀測儀》中規定濕敏電容傳感器的檢定周期為1年。根據本文研究結果可以看出，經過一年的使用，超過3/4的傳感器不能滿足技術要求。為保證濕敏電容傳感器的測量準確度，德國科學工作者建議幾周校準一次[8]，我國也建議應每半年采用兩種飽和鹽溶液對濕敏電容傳感器進行兩點調校。

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解析：導體芯A、導體芯外面的絕緣物質B與導電液體C組成一個電容，液體深度h的變化跟極板正對面積變化相對應，組成測定液面高度的電容式傳感器.

電流計指針向左偏轉，說明流過電流計G的電流由左右，則導體芯A所帶電量Q在減小.電容器的兩極板與電池的兩極相連，即兩極板間的電壓U不變，由Q=CU可知，芯A與液體形成的電容器的電容減小，則液體的深度h在減小（極板正對面積減小）.

答案：減小；減小

點評：電容大小跟相對介電常數、正對面積和極板間距有關，電容式傳感器利用液面高度、扭轉角度、壓力等改變電容大小，進而改變電容上的電壓（或帶電量）進行測量，求解這類問題時，應弄清液面高度、扭轉角度、壓力、轉速等與電容大小的聯系，運用公式

C=

εS4πkd和C=QU

，找出相關物理量的關系.

二、測量角度的電容式傳感器

考查目的：電容大小的相關因素，動態情況下分析電容與偏轉角度的關系.

例2 傳感器可以將一些非電學量轉化為電學物理量，便于快速測量，在機械加工時，有時需要測量角度，利用電容式傳感器可以快速測量.如圖2所示為利用電容C測量角度θ的電容式傳感器的示意圖，當動片和定片之間的角度θ發生變化時，電容C便發生變化，于是知道了電容C的變化情況，就可以知道偏轉角度θ的變化情況，下圖3中最能正確反應C和θ間函數關系的是（ ）解析：平行板電容器的電容大小跟相對介電常數成正比，跟正對面積成正比，跟極板間距離成反比，用公式表示C=εrS4πkd，正對面積

S=r22（π-θ），所以C=k（π-θ），C和θ間函數關系如圖（B）所示.

保持電容器的兩極板與電池的兩極相連，即兩極板間的電壓不變，電容器的帶電量

Q=CU∝（π-θ），角度θ增大，則電容器所帶電荷量Q減小，進而測量角度.

點評：電容傳感器的種類很多：壓力傳感器、溫度傳感器、稱重傳感器、流量傳感器、位移傳感器、轉速傳感器，電容傳感器應用非常廣泛，電容知識與生活、生產等相綜合構成豐富多彩的STSE問題，應注意電容知識的運用.

三、電容式話筒

考查目的：分析電容器的電容、帶電量與電勢差的關系.

例3 電容式話筒已廣泛運用于會議、誤樂場所，某電容式話筒的原理示意圖如圖4所示，E為電源，R為電阻，薄片P和Q為兩金屬極板，對著話筒說話時，P振動而Q可視為不動，

在P、Q間距離增大過程中（ ）

（A） PQ構成的電容器的電容增大

（B） P上電荷量保持不變

（C） M點的電勢比N點的低

（D） M點的電勢比N點的高

解析：在PQ間距增大過程中，根據電容決

定式

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2 聲學傳感器

聲學傳感器是一個可以接收聲波并且能夠把聲信號轉換成電測儀器能夠識別的電信號的裝置，從而使得不易被測量的聲學量能夠很容易被測出，也使得聲波被人們更為廣泛的研究和利用。

聲學傳感器的原理就是聲電轉換，即把不易測量的聲音信號轉換成為容易被電測儀器測出的電信號。目前應用最多的聲學傳感器主要有動圈式、壓電陶瓷式和電容式三大類，其他類型的，如果細分的話，也都屬于這三大類之中。下面一節中，會具體介紹這三種聲學傳感器的原理，在此不再贅述。

3 聲學傳感器的前置放大電路

聲學傳感器的前置放大電路，是一種專門為聲學傳感器的輸出信號而設計的放大設備。通常，人們習慣將聲學傳感器的前置放大電路直接簡稱為“前置放大器”，專門用來處理電平較低、音質比較脆弱的聲學傳感器的輸出信號。

由于聲學傳感器可以分為動圈式、壓電陶瓷式、電容式等多種不同類型，且其輸出的信號在電平和阻抗水平上也有很大的差別，因此，前置放大器在設計上也有很多種不同的造型和尺寸。我們在選擇前置放大器時，除了要鑒別音質水平之外，還應該特別注意其在多種不同的應用條件下對信號一致性的保持能力。

市場上可以見到的前置放大器有很多，它們大致可以分為兩類，一類是電子管前置放大器，另一類是晶體管前置放大器。由于數字音頻信號是離散的信號，與連續的模擬音頻信號相比，聲音聽起來有一些硬，電子管的特性就是可以呈現出溫暖的音色，所以近年來選用電子管前置放大器的用戶逐漸多起來，電子管前置放大器會使原來聽起來比較生硬的數字聲音變得溫暖許多。當然，電子管前置放大器呈現的溫暖音色特性不一定適合對所有聲音的加工，要根據聲音特點的不同或者個人的喜好來選擇是否用電子管前置放大器。

4 三種聲學傳感器的原理

4.1 動圈式聲學傳感器的原理

電磁感應現象：閉合電路中的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動，在電路中產生感應電流，我們把這種現象稱為電磁感應現象，產生的電流就叫做感應電流。

動圈式聲學傳感器就是利用電磁感應現象制成的。如圖1所示，當聲波使最右邊的膜片振動時，連接在膜片上面的線圈會隨著膜片一起振動，而音圈的振動又是發生在永久磁鐵的磁場里，其中就產生了感應電流，也就把聲音信號轉換成了電信號。其中產生的感應電流的大小和方向都在變化，變化的頻率由聲波振動的頻率決定，變化的振幅由聲波的振幅決定。

4.2 壓電陶瓷式聲學傳感器的原理

壓電效應是指一些電解質在受到某一個方向的外力作用發生形變時，由于內部電荷有極化現象，會在其表面產生出電荷的現象。

由于有壓電效應，壓電陶瓷能夠直接將非電量轉換為電量，同時，壓電陶瓷的壓電常數可以通過調整配方組成或者改變陶瓷片組合的方式而得到大幅度的提高，從而可有效的提高它的靈敏度。

壓電陶瓷式聲學傳感器就是利用壓電陶瓷片的壓電效應，把應力轉換為電壓輸出的裝置，如圖2所示。壓電陶瓷片是其中關鍵的部件，從信號變換角度看，這里壓電陶瓷片相當于一個電荷發生器。

壓電陶瓷式聲學傳感器是由把外力傳遞給壓電陶瓷的力學系統、壓電陶瓷片以及將電荷傳遞給測量儀表的測量電路三個部分組成。其中，力學系統是用來安裝和固定壓電陶瓷的支架部分，由該部分直接和外界接觸，當受到外力的作用時，支架和壓電陶瓷一起發生形變。壓電陶瓷由形變產生電荷輸出，然后測量線路會把電荷變換為電壓輸出。

壓電陶瓷式聲學傳感器的結構簡單、體積小、質量輕、功耗小、壽命長，尤其是它具有很好的動態特性，因此非常適合有很寬頻帶的周期性作用力以及高速變化的沖擊力。

4.3 電容式聲學傳感器的原理

電容式聲學傳感器是將被測的非電學量的變化轉換為電容量變化的傳感器。

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目前，智能電網技術快速發展，其已成為全球能源發展和變革中的重大研究課題，其中各類電信號的測量技術及其傳感器是實現智能電網監測、控制、分析和決策的基礎，也是智能電網發展的關鍵。電壓互感器的準確性、可靠性、便利性和快速性是電能計量和繼電保護、電力系統監測診斷、電力系統故障分析中的關鍵技術要求。

電磁式電壓互感器（Potential Transformer，PT）和電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）在電力系統中廣泛應用。雖然電網中普遍使用的電容式電壓互感器和電磁式電流互感器的技術成熟，而且擁有長期的運行維護經驗，但它們的測量線性度較差、瞬變響應速度較慢，且電磁式電流互感器的瞬態誤差特性也不理想。

傳統的電磁式電壓互感器存重量大和體積大的特點，而且隨著特超高壓電網的發展，其絕緣強度要求難度越來越大，同時由于具有鐵芯，可能導致發生鐵磁諧振過電壓和由鐵磁飽和帶來的動態范圍變小等缺點，已經越來越不適應當前智能化電網的發展趨勢。

與電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器具有更多的優點，其分壓結構可以提高互感器的動態范圍，使其更容易提高絕緣強度。但該互感器不能夠及時跟蹤電壓變化，不能滿足繼保系統中的要求，而且該互感器能夠捕捉到高頻的過電壓波形，也不能滿足電力系統故障診斷與在線監測要求，而電容式電壓互感器中耦合電容、補償電抗器以及中間變壓器等內部儲能元件構成的RLC電路會使得電容式互感器的暫態特性會變差，使得當一次系統發生如電壓跌落故障時，電容式電壓互感器的輸出并不能立即跟隨一次側輸入變化，并且在高頻過電壓下，二次側輸出可能發生由鐵磁諧振導致的高頻振蕩，無法反映一次側輸入波形。在一些不易進行直接測量的場合，如對高壓套管、被絕緣層包裹的變壓器繞組接頭處等進行測量時，電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器的使用也具受到了限制。

1 D-dot傳感器測量

3 結 語

D-dot傳感器是一種電場耦合的傳感器，工作原理上與通過傳遞能量實現測量的PT和CVT有所不同，可以實現無接觸測量，其結構簡單、具有較大的測量帶寬和動態范圍、能夠抑制非線性負載的感應電壓過沖，為克服上述問題提供了新的途徑。但是傳統的D-dot傳感器由于傳遞函數限制與積分器、衰減器的使用，其工頻與高頻響應會存在幅值與相位誤差的同時也存在傳感器體積與絕緣強度之間的矛盾，限制了其作為電力互感器的使用。通過分析D-dot傳感器的工作原理及其影響因素，指出一種通過差動輸入和多重電極并聯的方式被引入以使互感器工作于自積分模式，使其能夠作為無接觸式電子式電壓互感器應用于電力系統電壓測量領域，具有結構簡單、便捷的特點，理論上分析其在額定電壓范圍內線性擬合較高，而且具有很高的動態范圍，幅值與相位誤差能夠達到計量要求，能夠快速反應暫態電壓變化，是未來的發展方向。

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還記得手寫筆是早期PDA類型設備的常用文本輸入和導航控制工具嗎？在那時，電阻式觸摸屏技術在大多數初始觸摸屏設計中占據主導地位。隨著感測層位于前面板后的光滑、閃亮的電容式觸摸屏的出現，手寫筆的使用減少了，但是為期不長。

現在消費者將其平板電腦和智能手機看作用于創建內容的設備，而不是僅僅用于訪問或使用內容。手寫筆是一個自然的選擇，為輸入文本、做筆記和畫圖等任務提供了令人熟悉的精確的筆一樣的體驗。

圖1電阻式觸摸傳感器，比如在普通堆棧中的那些傳感器，提供了實現筆和手寫筆輸入的成本較低的較簡單方法。然而，它們沒有其他替代技術的光學清晰度和可靠性。

屏幕之下

使用電阻式技術，機械傳感器安裝在顯示屏和嵌入式控制器的頂部（圖1），傳感器包括一個柔性聚酯頂層和一個剛性玻璃底層，它們使用空氣和/或絕緣點分隔開來。

兩層各自的內表面涂有透明的金屬氧化物涂層（銦錫氧化物或ITO），施加電壓時有助于在每一層形成梯度。當手寫筆壓下柔性薄膜時會接觸到下部的電阻層，從而激活信號。

各層之間的控制電子交替電壓，經過后續的X和Y坐標到達觸摸屏控制器。而后，觸摸屏控制器數據傳輸到CPU用于處理。

在電阻式觸摸系統中實施手寫筆功能相對簡單直接，電阻式觸摸傳感器經設計提供用于手寫筆和手指的優化性能。而現在，電容式觸摸是從蜂窩電話到電子閱讀器、平板電腦以及筆記本電腦的大多數移動設備的首選技術。

電容式觸摸技術提供了豐富的用戶體驗，由于具備出色的光學特性，以及電阻式觸摸系統所不具備的堅如磐石的可靠性，因此帶來了更清晰、更新穎的顯示性能。不過，用于電容式觸摸技術的手寫筆實施方案并不簡單，需要考慮諸多因素。

感應技術：良好的性能，更高的成本

評估現有的潛在手寫筆技術，設計工程師有三種可能的選擇：感應技術，無源電容式手寫筆，以及有源電容式手寫筆，多年以來，感應技術方法一直非常盛行，尤其是在圖形輸入板和平板電腦中。

感應技術包括一個印刷電路板（PCB）傳感器，一個混合信號IC控制器、驅動器軟件，以及一個手寫筆。傳感器位于LCD和背光裝置的下部，傳感器是由銅軌道構成的，在X和Y方向提供大量的重疊的天線線圈。這些線圈發射電磁信號，可以使用帶有有源或無源電路的專用電磁筆檢測信號。

磁場的能量維持電路運作，將能量從傳感器處轉移到電磁筆中，筆的自有電路接收能量，一個電感器/電容器與頻率共振以確定其數值。然后，能量反射回到傳感器，作為模擬信號被接收，并傳輸到控制器IC，從而提供位置坐標數據。

圖2除了電容式觸摸傳感器，還需要一個附加的傳感器用于感應式有源手寫筆技術。這個附加的傳感器增加了成本和設備的厚度，但是提供了最商勝能的觸摸和手寫筆解決方案。

感應方法具有良好的性能，但其實施方案往往比較昂貴（圖2），感應手寫筆運作所需的額外堆疊層增加了設備的厚度，需要附加的電路，并且增加了相關的成本。

無源電容式手寫筆：中等性能、低成本

無源電容式手寫筆基于投射電容式場電荷轉移感測技術，提供了具有中等性能水平的低成本解決方案，廣泛用于蜂窩電話和較新的平板電腦設備，在手指等物體接近或觸摸屏幕的表面時，投射電容式觸摸屏通過測量所引起的電容的微小變化來運作。

用于電荷收集的電容至數字轉換（capacitive-to-digital conversion，CDC）技術和電極結構（通常是位于顯示屏頂部的透明傳感器薄膜）的空間排列的組合，對于整體性能產生了很大的影響。這種組合也有助于推動方案的實施。

業界有兩種安排和測量電容變化的基礎方法：自電容和互電容。使得電容式觸摸屏能夠可靠地報告和跟蹤多個同時觸摸點的唯一方法，是測量傳輸和接收電極安排為正交組合處的互電容。

采用自電容方案，測量整行或整列的電容變化，當用戶觸摸兩個位置時會導致位置模糊。在實際中，自電容僅適用于單一觸摸或非常有限的雙觸摸應用。

觸摸屏中的傳感器包括一個或多個位于透明基板材料上（通常為PET或玻璃）的圖案化透明導體層，傳感器位于顯示屏上。為了構建一個能夠通過玻璃或塑料前面板來解析一個或多個手指觸摸的傳感器產品，需要采用完全的正交網格電極。

圖3使用maXTouch觸摸控制器來同時支持觸摸和電容式手寫筆的各種電容式傳感器堆疊之一，這項技術提供了高性能的有源手寫筆解決方案，且不會增加成本或犧牲性能。

通常情況下，圖案化導體（電極）是由蝕刻圖案ITO制成的，這是一種高透明性材料，既具有良好的光學清晰度，同時可保持稍低的電阻系數。ITO可以用于制造真正的傳感器矩陣，唯一的觸摸敏感區域是行電極和列電極相互結合位置附近。

使用插補方法，在單一觸摸的中心位置可以獲得相當準確的分辨率。在需要唯一確定數個鄰近觸摸點的時候會出現困難，因為這需要高電極密度。

這意味著行和列的間距必需達到5mm左右或更小，而這是拇指和食指兩指之間指尖距離所測量出，方法是兩指合在一起，然后除二再分開。廣泛的測試已經證實10～12 mm的分隔距離，可以在空間分辨率和增加傳感器復雜性之間建立最佳的折衷權衡。

高電極密度實現了另一個重要的特性：使用無源導電的手寫筆。只要使用正確的傳感器設計和非常先進的觸摸追蹤算法，便有可能使用一個筆尖尺寸為3～5 mm的簡單無源導電手寫筆。

有源手寫筆：出色的性能，較低的總體成本

第三種手寫筆實施方案是有源手寫筆，這項技術包括投射電容式場觸摸屏的出色性能和特性，集成了一個能夠檢測場的存在并與觸摸屏控制器通信的手寫筆。

例如，愛特梅爾的maXStylusmXTS100有源手寫筆支持其maXTouch觸摸屏控制器，這些技術的組合簡化了硬件，并且降低了總體解決方案的成本，因為僅僅需要與maXTouch控制器接口的單一ITO傳感器，用于檢測手指觸摸和手寫筆接近。

通過系統驅動程序和串行接口，系統主控制器與maXTouch芯片組接口，用于觸摸和手寫筆數據。這種同時觸摸和手寫筆能力稱作多重感測（multiSense）功能性。

mXTS100器件采用電容式感測來檢測有源maXTouch傳感器的存在，并且響應其自有的信號以指示位置、壓力、按鈕點擊定時，以及其它信息。maXTouch控制器通過傳感器接收手寫筆信息，同時檢測手指觸摸操作。

在maXTouch控制器檢測到手寫筆的存在之后，激活專用算法來處理手寫筆數據，從而提供高線性度和高分辨率。更多的處理提供出色的手掌抑制特性，從而帶來暢順舒適的像筆一樣的手寫筆書寫體驗。

此外，使用1 mm筆尖直徑和140Hz快速幀率，maXStylus有源手寫筆能夠提供快速、準確的手勢捕獲，比如在觸摸屏上的輕擊。

篇11

飛機燃油油量測量系統的、可靠性、精確度、靈敏度、維護性對整體飛機性能而言有著舉足輕重的作用。其中，飛機燃油油位的測量是飛機燃油測量系統中很重要的一部分。據統計，燃油測量精度每提高1%，可以多載重200公斤。因此，提高飛機燃油油位測量的準確度，進一步提高油量的檢測精確度，就成為了飛機燃油系統研究工作的重要方向。

本文根據將主要討論常見的幾種測量方法，并分析其原理，包括浮子電阻式、電容式以及超聲波式等。最后，比較其優缺點，并探究適用于我國飛機燃油油位測量的有效方法，以及油位檢測方法的發展趨勢。

1 浮子電阻式油位測量方法

浮子電阻式油位測量方法通過安裝在油箱內的浮子傳感器，感受油箱中油面高度來測得飛機載油量。浮子傳感器由可變電阻和浮子組成，當油面高度變化時，可變電阻值隨之改變，這樣，就將油面高度變化的非電量變化轉換成電量變化，輸入儀表線路，從而測得油箱中的油量，其原理簡圖如下圖1所示。測量總油量時，傳感器則需要使用多個，對稱式電橋的一個橋臂由所有傳感器內的電位器互相串聯而成。

該測量方法存在以下問題：測量范圍小，指示誤差大，傳感器極易損壞，體積大，安裝調試不方便等。

2 電容式油位測量方法

電容式油位測量方法是現代航空領域最常用的方法，其基本原理是空氣與燃油存在介電常數特性方面存在差值。將兩個同心電極管垂直或接近垂直地安排在燃油箱內構成電容時，就利用了這一現象，如圖2所示。

在真空狀態下，圓柱形傳感器的理論電容值由下述公式給出：

式中ε0為介電常數，H為傳感器高度，r1為傳感器內管的外半徑，r2為傳感器內管的內半徑。如圖3所示，當燃油介質的液面在電容式傳感的兩同心圓筒之間變化時，引起極板間介質的高度變化，因而導致電容變化，傳感器的電容量如下式計算：

式中C為總電容，C1為氣體部分電容，C2為燃油部分電容，ε0為空氣介電常數，ε1為燃油介電常數。由上式可以看出總電容量與燃油液面高度呈線性關系，由于油箱曲線是已知的，所以測得燃油介質的液面高度，及可得到電容傳感器的電容量，進而得到燃油箱內的剩余油量。該測量方法主要問題是由于電容整體要浸入燃油內，所以因為其體積的原因，影響了原始液面的高度。

3 超聲波式油位測量方法

超聲波測量依賴于聲波能夠在液體中傳播并在該液體的界面處發生反射這一聲學現象。測量中的關鍵在于聲波在燃油中的傳播速度與燃油的溫度成反比，并且燃油類型不同而不同。超聲波測量系統的基本原理為：

1）聲波通過燃油時的傳播速度可由聲速計進行測量；

2）聲音從發射換能器通過燃油向上傳播到燃油界面，然后向下傳播返回接收換能器的往返時間，可用傳感器測量。

3.1 超聲波傳感器的工作原理

超聲波液位測量，是基于超聲波在聲阻抗率不同的媒介分界面上產生反射的特性。由超聲波換能器發出的超聲波在液體與氣體的分界面發生反射，產生回波被換能器接接收，依據換能器發射超聲波到再次接收到超聲波所歷經的時間可測出液位。超聲傳感器相對于電容傳感器具有結構簡單、測量精度高、測量穩定性好、抗干擾能力強等優點。如圖4所示，為超聲波聲速計和超聲波傳感器的工作原理圖，此處聲速計利用一固定目標體起到一個聲速校準的作用，而傳感器則用于測量油箱內的燃油高度。

圖5給出的時間曲線，表明采用這種布局如何可以獲得燃油油面高度，參數定義如下：

TT為目標體的往返時間，TS為至油面的往返時間，D為至目標體的已知距離，L為至油面的未知距離。

通過下列公式，可由聲速計導出燃油內的聲速VOS，即：

VOS=2D/TT

同樣，如下公式可以確定至油面的未知距離L，即：

L=VOS?（TS/2）

由上面兩個公式，我們可以得到油面高度，即：

L=D（TS/TT）

超聲波燃油測量方法主要存在的問題是這種技術不能通過測量無油空間的超聲波的往返時間，聲波在介質中傳播會發生衰減，飛機處于爬升姿態時會產生氣泡，影響測量。

3.2 超聲波傳感器的設計

如圖6所示，超聲波傳感器由下端的換能器組件構成，并附帶一個垂直固定在其上的穩定筒，傳感器可由金屬或者復合材料構成。對于某個給定位置，傳感器的整個長度與等效的電容式傳感器相同，除非留出必要的安裝間隙。

換能器組件帶有壓電陶瓷盤器件，起到收發器的作用，產生并接收超聲波。換能器組件由共振盤和電阻放電網組成，后者直接安裝在此盤上，以便安全地消散由于溫度或機械沖擊、機械迷宮或者氣泡等累積的任何非正常能量。

穩定筒的用途是準直換能器所發生和接收的聲波，并提供一個進行測量的“受保護區”。穩定筒保護測量，避免出現不利現象，例如燃油晃動或大個氣泡。穩定筒和換能器組件的設計必須使燃油可方便地進入穩定筒，以使得油位跟隨穩定筒外面的燃油，但防止在使用中可能產生的湍流引起的大個氣泡進入。在換能器組件內納入迷宮式隔聲板，可達到此目的。最后，下部安裝支架應固定到防氣泡罩上，上部可移動以及阻尼器，位于定位筒上。

4 結論

根據以上對各個檢測方法的研究和分析，結合國內油位傳感器的發展現狀，未來的商用飛機應當采用電容式油位測量方法較為妥當。

國外的技術領先國內至少20年，在積極推進油位檢測的發展方面，B777客機和F-22猛禽戰機已經使用了超聲波式油位測量方法，并取得了一定的成功。然而，我們可以看到，在最新的機型，例如波音B787夢想飛機和空客A380，以及新的超寬體機A350中全部將電容式測量作為燃油油位測量的首選技術。

究其原因，一是超聲波技術的優勢尚未得到充分的體現，二是燃油測量需要極高的可靠性，因為必須進入燃油箱進行維護，成本很高，三是電容式油位測量技術已經被應用多年，業界一直以其為基礎來制造整個燃油測量系統。因此，對于新技術的應用，一直處于保守狀態，難以取代陳舊的電容式測量法，盡管其存在電纜束連通性和水污染有關的使用問題。

對于未來油位檢測技術的發展，按作者的觀點，超聲波式油位測量法會被廣泛應用，因為技術總是會有反復推進的過程，等待技術成熟后，相信非接觸式的超聲波會以其明顯的優勢占據一席之地。未來最具發展前景的技術將是使用光和微機電技術（MEMS）的一種組合，MEMS裝置可能會設計成通過光纖受光激勵時，測量壓力、溫度、密度和加速度等傳感器。因為MEMS傳感器尺寸小，適合于埋置在復合材料結構內，因此這是能可靠的在不利環境下工作的，并滿足當前嚴格條例要求的理想后續技術。

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篇12

1工作原理和傳感器組件的測試

1151電容式變送器的故障部位一般分為兩類:傳感器故障和電子檢測及放大轉換故障。傳感器一般不易出現問題，正常的情況下，一般不用過多考慮問題所在，應重點檢測電子電路部分。

1.1 1151電容式壓力變送器的原理

1151系列電容式變送器有一個可變電容的傳感組件，稱為“δ”室。該傳感器是一個完全封閉的組件。過程壓力、差壓通過隔離膜片和灌充液硅油傳到傳感膜片引起位移，傳感膜片和電容兩極板之間的電容差由電子部件轉換成4 ~20 mA的二線制輸出的電信號。

電子放大電路由解調器、振蕩器、振蕩控制放大器、電流檢測器、電流控制放大器、電流限制控制器、基準電壓、穩壓器等組成。通過它們對電容信號進行檢測，從而控制振蕩頻率，再將其轉換為電流輸出。電氣原理圖：

1.2傳感器組件的測試

傳感器有故障時，一般不能在現場修理，只有更換。如果沒有發現諸如隔離膜片損壞、漏油等現象，則對傳感器組件可按下列步驟來檢測:

(1)小心地從插頭座上拔出傳感器組件引出線插座；

(2)檢查內部二極管電路的正、反向偏置:一個回路是紅線與黃線，另一個回路是綠線與藍線，其原理如圖1所示。用萬用表正極接紅線，負極接黃線，其串聯回路D1、D2、D5、 D6、R4阻值之和應與測綠線和藍線的串聯回路D3、D4、D7、D8、R5的阻值之和接近或相等。

( 3)檢查傳感器組件外殼和此四線的電阻，也就是檢查電容極板和接外殼的傳感膜片之間的電阻，其阻值應大于10 M Ω，由此判斷電容故障點。

2 常見故障診斷分析

2.1信號輸出過大

2.1.1故障現象

在沒有壓力(差壓)的情況下，變送器輸出電流(mA)數過大，有時超量程，調整零點及量程電位器不起作用。

2. 1. 2故障分析

出現此故障的電路部分較多，目經常損壞的是電路的后極，即電流控制放大器到電流控制輸出部分。其結構如圖2所示。 IC3為電壓放大器經V轉換為mA輸出。用萬用表直流電壓擋測IC3的3腳電位值，調節量程或零點，3腳電壓有變化，說明前極回路正常。同時測量6腳輸出應有放大的電壓信號輸出。從而判斷IC3及偏置回路是否正常。若6腳電壓始終很高(接近電源電壓)，則可判斷為IC 3損壞，更換同型號LM 308即可。若IC3 正'常，則用萬用表測量V17、V18是否擊穿。在實際檢測中，經常遇到V17、V18擊穿致使輸出過大。

2. 2信號輸出過小或無輸出

2. 2. 1故障現象

(1)增加壓力，變送器信號輸出值不增大;

(2)有壓力，但變送器無信號輸出。

2. 2. 2故障分析

先應檢查引壓管是否漏氣或者被堵住以及對節點是否存在跑冒滴漏現象，如果確認不是，檢查接線方式，如接線無誤再檢查電源，如電源正'常再察看傳感器零位是否有輸出，或者進行簡單加壓看輸出是否變化，有變化證明傳感器沒有損壞;最后檢查加到變壓器兩端的電壓是否正'常;集成運算放大器兩端電壓是否正'常;判斷振蕩電路是否起振;量程、零點、電位器調節電壓是否變化及15Ω量程負載電阻是否損壞。用檢測輸出過大的方法檢測后極電路，判斷后極電路是否正常。

2. 3信號輸出不穩定

2.3.1故障現象

壓力一定的情況下，變送器輸出信號值出現不規則的跳動。

2.3.2故障分析

在排除壓力源本身是一個不穩定的壓力、儀表或壓力傳感器抗干擾能力不強、傳感器接線不牢、傳感器本身振動很厲害、傳感器故障等因素后，應檢查變壓器是否有間歇性的短路、開路和多點接地的現象;檢查加到變壓器的電壓是否穩定正常；穩壓電路是否正常；檢測各個穩壓二極管、測試振蕩頻率是否穩定;電路板有無虛焊。

2. 4信號輸出非線性

2. 4. 1故障現象

加壓時變送器輸出不變化，再加壓變送器輸出突然變化，泄壓變送器零位回不去。

2. 4. 2故障分析

產生此現象的原因極有可能是壓力傳感器密封圈引起的。一般是因為密封圈規格原因(太軟或太厚)，傳感器擰緊時，密封圈被壓縮到傳感器引壓日里面堵塞傳感器，加壓時壓力介質進不去，但是壓力很大時突然沖開密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化，而壓力再次降低時，密封圈又回位堵住引壓日，殘存的壓力釋放不出，因此傳感器零位又下不來。排除此原因的最佳方法是將傳感器卸下，直接察看零位是否正常，如果正'常更換密封圈再試。

篇13

電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。由于它結構簡單、體積小、分辨率高，可實現非接觸式測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作，目前，在自動檢測中得到了廣泛的應用[1]。電容式測厚儀是用于測量金屬帶材在軋制過程中厚度在線檢測的儀器，傳統的方法是采用兩電容并聯構成差動結構來檢測金屬帶材的厚度，該方法會隨著帶材在線檢測過程中波動的幅度增大而誤差增大。文章提出了一種改進型電容測厚儀，采用獨立電容進行檢測，較原方法，誤差降低。

2 差動式電容傳感器

現有的這種金屬帶材測厚儀，其工作原理是在被測帶材的上下兩側各放置一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，如圖1所示。這樣極板與帶材就構成了兩個電容器C1，C2，把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，在電路中C1、C2屬于并聯方式，其總電容為C1+C2。金屬帶材在軋制過程中不斷向前送進，如果帶材厚度發生變化，電容測厚儀傳感器將引起它與上下兩個極板間距變化，從而引起電容量的變化。如果將總電容量作為交流電橋的一個橋臂，電容的變化量DC引起電橋不平衡輸出，經過放大、整流、濾波即可在儀表上顯示出帶材的厚度。

將（4）式與（3）式進行比較發現，只要金屬帶材不是處于兩極板中心位置，將產生的位置誤差。但是，金屬帶材在線檢測過程中必定存在上下波動，即使采取一定的措施，仍存在誤差，該誤差是由于兩電容并聯所造成的。傳統的電容測厚儀測厚精度較低，并且為了使帶材盡可能的處于中心位置，也加大了操作的難度。所以，這種方法并不理想。

3 獨立電容傳感器

在電容器兩極板間的空隙中放入金屬板，很明顯電容器的電容值會改變，但不像改變電介質那樣。當放入金屬板后，金屬板在勻強電場中靜電平衡，成為等勢體。于是，我們可以把它當作等勢面而忽略厚度，厚度忽略后其板間距離可看作減少了x（x為金屬板厚度），故由C的決定式可得電容增大，增大部分即由金屬板厚度引起的。基于此思想，可以把金屬帶材假設成放入電容器兩極板間的一個等勢體[4]。

在被測金屬帶材的上、下面對應位置各安置一塊電容傳感器的極板，這兩塊極板構成一個獨立的電容傳感器。假設金屬帶材上、下極板之間的距離固定為d0（即獨立電容初始極板間距離為d0），帶材的上表面與上極板間距為d1，帶材的下表面與下極板間距為d2，帶材的厚度為x，則d0=d1+x+d2。不論被測帶材是否處于中心位置，也不論被測帶材上下波動如何，只要厚度x一定時，那么電容兩極板間距d0-x=d1+d2即為固定值。通過測量（5）式中的Cx即可確定金屬帶材x的厚度。

這樣，通過測量獨立電容器的電容值，克服了并聯式電容器存在的原理性誤差的缺點，解決了金屬帶材傳輸過程存在的上下波動的問題。

由于式（5）中厚度x與輸出電容Cx為非線性關系，可采用放大倍數足夠大，輸入阻抗足夠高的運算放大器作為后續理想的測量電路，該電路將電容又轉化成電壓輸出。不過此時，運算放大器的輸出電壓與帶材厚度x成線性關系，解決了變極距式電容傳感器的非線性問題。

4 結束語

文章提出了獨立電容傳感器檢測金屬帶材厚度的原理和方法，完全消除了被測帶材在測量過程中上、下波動對厚度檢測的影響。由于輸出的電容變化值十分微小，不能直接為目前的顯示儀表所顯示，所以借助運算放大器測量電路，將其轉換成與厚度x成單值函數關系的電壓。該方法操作簡單，提高了測量精度。

參考文獻

[1]陳艷紅.傳感器與檢測技術[M].南京大學出版社.

[2]熊葵容.電容傳感器檢測金屬板帶厚度的研究[J].傳感器世界.