时间：2022-01-30 13:50:56
关键词：电容式传感器 应用 研究
1、电容式传感器的结构特点
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：
高职院校民族传统体育文化传播的创新研究（GDGZ12Y084）
Abstract: This paper describes a new signal processing of macromolecule capacitance humidity sensor based on the charge-discharge principle. The signal processing circuit operating frequency,operating voltage,temperature compensation and other parameters are analyzed and presented concrete test data. The results show that this signal processing designed for capacitive humidity sensor has the features of low price,stable performance,and high precision with high practical value.
关键词:电容式;湿度传感器;信号处理
Key words: capacitance;humidity sensor;signal processing
中图分类号:[TN98] 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)24-0230-01
1高分子湿敏电容的测湿原理
高分子湿敏电容的工作原理是利用对湿度敏感的高分子聚合物含有吸水基团,吸附环境中的水分子,使聚合物的介电常数发生变化。高分子聚合物在完全干燥状态下介电常数为2～3,水分子的介电常数为78,聚合物吸附水分子,提高了聚合物的介电常数,随着吸附水分子数的增多,聚合物的介电常数也随之变化。基本形式为:
logε=X1logε1+X2logε2(1)
其中ε1为聚合物介电常数,ε2为水的介电常数,X1和X2分别是聚合物与水的体积百分率,ε为总的介电常数。将上述聚合物制作成电容器形式,就可从电容量的变化测定出环境相对湿度,湿敏元件的电容量与环境的相对湿度的关系。
2信号源及工作频率设计
电容式湿度传感器电路采用电容充放电原理,激励信号为矩形脉冲,为此采用了由施密特触发器构成的多谐振荡器产生信号源。
其中VT+和VT-分别为施密特触发器的上下限门限电压。接通电源以后,电容C上的初始电压为零,输出VO为高电平,并开始经电阻R对电容C充电。当冲到输入电压为VI=VT+时,输出跳变为低电平,电容C又经过电阻开始放电。当放电至VI=VT-时,输出又跳变成高电平,电容C重新开始充电。周而复始,电路便不停振荡产生固定频率的波形。振荡周期的计算公式为:
T=T1+T2=RC1n+RC1n=RC1n(×)(2)
通过调节R和C的大小,即可改变振荡周期和频率。试验发现,信号源频率对转换电路的线性有一定影响,较低的工作频率导致电路的的线性变差,而较高的工作频率会导致湿敏电容的灵敏度降低,因此传感器信号源的振荡频率选定为50kHz。
3试验结果
按本文所述信号处理方法制作了三只湿度传感器,传感器输出信号为0～5V电压信号。其敏感元件采用了MSR-3B型高分子湿敏电容,主要参数为:
①电容量:130～170pF(0%～100%RH);
②工作温度:-40～70℃;
③灵敏度:0.25pF/%RH;
④温度系数:≤±0.15%RH/℃。
试验使用美国2500型双压法湿度发生器作为湿度源,美国GE公司的M4冷镜式露点仪对产生的湿度进行校准。对三只湿度传感器的准确度、温度系数、时漂指标进行了测试,试验在常压环境条件下进行。在20℃±0.5℃的温度下传感器的湿度偏差数据见表1。
由表1数据可以看出传感器具有较好的测量准确度,最大湿度偏差为1.3%RH,可满足大多数湿度测量领域的要求。
试验中对传感器温度系数进行了测量,在10～40℃的工作温度下传感器温度系数小于±0.1%RH/℃,测试数据见表2。
在20℃±0.5℃、50%RH±0.5%RH的条件下对传感器的时漂进行了测量,数据表明本文所述信号处理电路具有较高的稳定性,测试数据见表3。
4结论
通过上述分析表明,采用此种信号处理方法的高分子电容式湿度传感器可对相对湿度进行较精确的测量,具有温度系数小、性能稳定、测量精度高等特点,可广泛应用于工业、农业、气象、军事等湿度测量领域。
参考文献:
[1]卢崇考,周明军,张彤.电容式高分子湿敏材料感湿机理探讨及选择方法[J].云南大学学报(自然科学版),1997,19(2):166-168.
[2]阎石.数字电子技术基础[M].第四版.北京:高等教育出版社,1998.
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。
关键词：Σ-Δ调制器；差分式电容输入；单端电容输入；I2C总线
Principle and Application of Capacitance to Digital Converter AD774
GUO Qiang,XIE Kang,JIANG aiming,WANG ao
(chool of Optoelectronic Information,University of Electronic cience and echnology of China,Chengdu,61004,China)オ
Abstract：he AD774 is a capacitance to digital converter with I2C bus produced by AD Companyhis converter supports single-ended capacitive input and differential capacitive input,and integrates a temperature sensor which can instead of temperature sensor in systemhis chip is used in biochemistry detection,pressure detection,voltage detection and impurity detectionhe principle and working mode are produced in the paper and an application with this chip is given
Keywords：Σ-Δ modulator;differential capacitive input;single-ended capacitive input;I2C busオ
1 引 言
AD774是AD公司生产的具有高的分辨率、低功耗的电容数字转换器。该芯片性能稳定，操作方便，可以和多种电容传感器一起开发各种实际产品。AD774的主要特点如下：
(1) 电容数字转换器
具有单端电容探测器或者差分式电容探测器接口；
分辨率：4 aF；精确度：4 fF；线性度：001%；
在普通模式下，电容高达17 pF；
可测量电容范围：-4~4 pF;
可容忍高达60 pF的寄生电容；
更新频率：10~60 z。
(2) 片上温度传感器
分辨率：01 ℃；精确度：±2 ℃；
电压输入通道；
内部时钟振荡器；
两线串行接口(I2C兼容)。
(3) 电源
27~2 V单电源供电。
2 工作原理及引脚功能
21 工作原理
AD774的核心是一个高精度的转换器，由1个二阶调制器和1个三阶数字滤波器构成。AD774可以配置成一个电容数字转换器(CDC)，也可以配置成一个经典的模数转换器(ADC)。除了转换器外，AD774集成了一个多路复用器、一个激励源和电容数模转换器(CAPDAC)作为电容的输入、一个温度传感器、一个时钟发生器、一个控制校正逻辑、I2C接口。AD774的功能框图如图1所示。下面对图中的主要部分进行功能说明。
(1) Σ-Δ调制器
Σ-Δ调制器是AD774的核心，它是将模拟信号转换成数字信号的器件，其工作原理是：被测的电容CX被连接在CDC激励输出(EXCA或者EXCB)与Σ-Δ调制器输入(VIN(+))之间，在1个转换周期，一个方波激励信号(从EXCA或者EXCB输出)被加到CX，│-Δ调制器连续采样经过CX的电荷。数字滤波器处理Σ-Δ调制器的输出，数据经过数字滤波器输出，经过校正，由I2C串行接口将数据读出。
(2) 电容数模转换器(CAPDAC)
电容数模转换器(CAPDAC)可以被理解成一个负电容直接内部连接到CIN引脚。在AD774中有2个CAPDAC，一个连接到CIN1(+) ，另一个连接到CIN1(-)，如图2所示。输入电容CX,CY(差分模式下)与输出数据(DAA)之间的关系如下：
电容数模转换器可以用来编程被测电容的输入范围，通过设置CAPDAC(＋)和CAPDAC(-)的值，可以改变被测电容的范围，比如在单端模式下，将CAPDAC设置成温度传感器±4 pF，被测电容的变化范围成了0~8 pF。
(3) 温度传感器
AD774使用1个片上晶体管测量芯片内部的温度，芯片的温度变换将影响到晶体管的电压ΔVBE ，Σ-Δ调制器将ΔVBE转变成数字信号，最终的输出线性于温度的变化。由于AD774的功耗很低，因此它自身产生的热量很少(在VDD= V时，小于0 ℃)，被测电容探测器的温度可以认为和AD774的温度相同，因此AD774内部的温度传感器可以用做系统的传感器。也就是说，整个系统的温漂补偿可以基于片内的温度传感器，而不需要片外器件。
(4) I2C串行接口
AC774支持I2C兼容2线串行接口，I2C总线上的2根线是CL(时钟)和DA(数据)，所有的地址、控制和数据信息都通过这2根线进行传输。
22 引脚功能
AD774的引脚分布如图3所示可知。各引脚功能描述如下：
CL：I2C串行时钟输入；
RDY：逻辑输出。当该引脚信号的下降沿到来时，表示在已经使能的通道转换已经完成，同时新的数据已经到达该通道；
EXCA，EXCB：CDC激励输出。被测电容接在EXC引脚和CIN引脚之间；
REFIN(＋)，REFIN(-)：差分参考电压输入；
CIN1(-)：在差分模式下，CDC的负电容输入；在单端模式下，该引脚内部断开；
CIN1(＋)：在差分模式下，CDC的正电容输入；在单端模式下，CDC的电容输入；
NC：空管脚；
VIN(＋)，VIN(-)：ADC的差分电压输入。此引脚同时连接外部温度探测二极管；
GND：接地端；
VDD：电源端；27~2 V单电源供电；
DA：双向I2C串行数据线。
3 AD774的工作模式
31 差分模式
当被测电容传感器是差分式电容传感器，其连接方法如图2所示，差分电容探测器的正电容输入连接到CIN1(+) ，负电容输入连接到CIN1(-)。通过I2C接口将AD774中的电容设置寄存器(Cap etup register)中的CAPDIF位设置成1。
32 单端模式
当被测电容传感器是是单端电容传感器，其连接方法如图4所示。可以通过设定CAPDAC(＋)的值调整被测的电容传感器的输出范围。
4 具体应用
电容传感器的种类很多，总体可以分为改变极板之距离的极距型传感器；改变极板遮盖面积的面积型传感器；改变电介质之介电常数的介质型传感器。
本应用使用根据极板间介质的介电常数随湿度而改变的差分式电容传感器，将差分式电容传感器的正负电容输出分别接到AD774的CIN1(+)和CIN1(-)引脚。然后将AD774接到3 V/ V电压上，将AD774的输出通过I2C总线接到主机控制器， CL和DA要接10 kΩ的上拉电阻。主机控制器选择P89C668，因为该MCU具有I2C接口和UAR串口(见图)。
本系统将电容传感器放置在需要探测的环境中，在PC即显示该环境的湿度，软件流程图如图6所示。
结 语
由于AD774功能稳定，操作简单，可以于多种电容传感器使用，可以用于压力探测，电压探测、杂质探测等方面的应用和开发。
参 考 文 献
［1］AD公司24 B Capacitance to Digital Converter with emperature ensor[Z]200
［2］Philips半导体公司P89C660/P89C662/P89C664/P89C668[Z]2002
［3］吴玉宝A/D转换器MAX1270与1单片机的接口设计[J]电子制作,2007(6):49-0
［4］项四平单片机与串行A/D转换器LC0834的接口设计[J]国外电子元器件,2003(7):10-12
马长芳传感器与传感器技术[M]北京:科学出版社,2004
［6］谭浩强C程序设计[M]2版北京:清华大学出版社,2001
关键词：电容传感器；测厚仪；误差
1 概述
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。由于它结构简单、体积小、分辨率高，可实现非接触式测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，目前，在自动检测中得到了广泛的应用[1]。电容式测厚仪是用于测量金属带材在轧制过程中厚度在线检测的仪器，传统的方法是采用两电容并联构成差动结构来检测金属带材的厚度，该方法会随着带材在线检测过程中波动的幅度增大而误差增大。文章提出了一种改进型电容测厚仪，采用独立电容进行检测，较原方法，误差降低。
2 差动式电容传感器
现有的这种金属带材测厚仪，其工作原理是在被测带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板，如图1所示。这样极板与带材就构成了两个电容器C1，C2，把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，在电路中C1、C2属于并联方式，其总电容为C1+C2。金属带材在轧制过程中不断向前送进，如果带材厚度发生变化，电容测厚仪传感器将引起它与上下两个极板间距变化，从而引起电容量的变化。如果将总电容量作为交流电桥的一个桥臂，电容的变化量DC引起电桥不平衡输出，经过放大、整流、滤波即可在仪表上显示出带材的厚度。
将（4）式与（3）式进行比较发现，只要金属带材不是处于两极板中心位置，将产生的位置误差。但是，金属带材在线检测过程中必定存在上下波动，即使采取一定的措施，仍存在误差，该误差是由于两电容并联所造成的。传统的电容测厚仪测厚精度较低，并且为了使带材尽可能的处于中心位置，也加大了操作的难度。所以，这种方法并不理想。
3 独立电容传感器
在电容器两极板间的空隙中放入金属板，很明显电容器的电容值会改变，但不像改变电介质那样。当放入金属板后，金属板在匀强电场中静电平衡，成为等势体。于是，我们可以把它当作等势面而忽略厚度，厚度忽略后其板间距离可看作减少了x（x为金属板厚度），故由C的决定式可得电容增大，增大部分即由金属板厚度引起的。基于此思想，可以把金属带材假设成放入电容器两极板间的一个等势体[4]。
在被测金属带材的上、下面对应位置各安置一块电容传感器的极板，这两块极板构成一个独立的电容传感器。假设金属带材上、下极板之间的距离固定为d0（即独立电容初始极板间距离为d0），带材的上表面与上极板间距为d1，带材的下表面与下极板间距为d2，带材的厚度为x，则d0=d1+x+d2。不论被测带材是否处于中心位置，也不论被测带材上下波动如何，只要厚度x一定时，那么电容两极板间距d0-x=d1+d2即为固定值。通过测量（5）式中的Cx即可确定金属带材x的厚度。
这样，通过测量独立电容器的电容值，克服了并联式电容器存在的原理性误差的缺点，解决了金属带材传输过程存在的上下波动的问题。
由于式（5）中厚度x与输出电容Cx为非线性关系，可采用放大倍数足够大，输入阻抗足够高的运算放大器作为后续理想的测量电路，该电路将电容又转化成电压输出。不过此时，运算放大器的输出电压与带材厚度x成线性关系，解决了变极距式电容传感器的非线性问题。
4 结束语
文章提出了独立电容传感器检测金属带材厚度的原理和方法，完全消除了被测带材在测量过程中上、下波动对厚度检测的影响。由于输出的电容变化值十分微小，不能直接为目前的显示仪表所显示，所以借助运算放大器测量电路，将其转换成与厚度x成单值函数关系的电压。该方法操作简单，提高了测量精度。
参考文献
[1]陈艳红.传感器与检测技术[M].南京大学出版社.
[2]熊葵容.电容传感器检测金属板带厚度的研究[J].传感器世界.
[3]张建忠.传感器与检测技术[M].北京邮电大学出版社.
关键词：传感器技术 课程教学 改革 探索
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0184-02
《传感器技术及应用》课程机械工程专业学生必修的专业基础课，该课程内容涉及大学物理、电工电子、电磁学、计算机技术等多门基础课程的专业知识，具有课程知识面广、综合性强、学时少等特点[1]。特别是机械专业学生对电工电子、电磁学及计算机等知识相对欠缺，初次接触系统静、动态特性、直流/交流电桥等抽象概念，学生一致反映《传感器技术及应用》课程存在学习难度大、课程内容松散、缺乏感官认识等问题。随着现代工业自动化技术的发展，传感器已经成为自动检测控制系统不可或缺的重要环节，例如新机械产品制造及装配、下线检测及设备状态诊断等均以传感器为基础[2]。因此，《传感器技术及应用》课程在机械工程专业课程体系中具有越来越突出的地位。为了保证机械工程专业学生更好地理解和掌握传感器工作原理、最新技术及典型工程应用，适应学校培养创新型工程应用人才的需求，必须对《传感器技术及应用》课程的教学过程进行改革，以提高课程教学质量。
1 传统教学及改革探索
1.1 传统教学
《传感器技术及应用》课程的传统教学是以教师为主体，采用灌输式讲授教学模式，并辅以少量传感器视频与动画，整个教学过程教师作为主体灌输知识，学生作为被动角色，被动吸收知识，传统教学无法激发学生的学习积极性，更不利于培养学生创新型思维模式。此外，由于《传感器技术及应用》课程涉及知识面宽，学生无法在课堂学习时有效将已有知识灵活运用于新知识的理解和学习，使学生感觉《传感器技术及应用》课程知识学习难度大，从而学生容易丧失学习该课程的兴趣和积极性，甚至产生厌学心理[3]，这将使该课程的教学过程变得异常艰难，课程教学质量更无从保证。
1.2 教学改革探索
1.2.1 教学内容的优化与整合
《传感器技术及应用》课程包括以下内容：传感器一般特性、电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器及计算机测试系统等。
通过对课程主要内容的细致分析和研究，将每类传感器的学习内容分为基础知识、基本原理、实物及影像资料观摩、典型应用等四方面内容。其中基础知识首先为学生讲解该类传感器所用到的前期知识体系，便于学生与自身已有知识有效融合起来，消除学生对后续原理学习的畏惧心理；通过基础知识讲解，运用剖析法将该类传感器基本原理拆解，指出该类传感器工作特点和工作方式；在学生掌握传感器基本工作原理基础上，任课教师利用自己科研资源和学院的科研资源，尽可能将传感器实物至少是影像资料为学生展示；同时结合该类传感器的典型应用场合和安装工作方式给予详细讲解。优化整合后的教学内容不仅兼顾由浅及深的教学思路，使学生在学习初期接受起来相对容易，引起学生的学习兴趣和积极性；而且使教学内容的每部分具有统一的模式，使学生学习起来思路清晰，同时便于学生课后复习和自学。另外，在教学过程中，将科研项目中用到的传感器应用实例融合到课堂的教学内容，保证了教学内容的实时性和前沿性。
1.2.2 教学方法探索
随着传感器技术的发展，本课程的教学内容快速膨胀，传统的教学思想和教学模式已经无法适应课程教学任务。然而，以“学生主体+教师主导”的新教学模式能够最大化发挥教师的导引作用和学生的主观能动作用，从而新教学模式更适应《传感器技术及应用》课程的快速发展。
在新教学模式体系下，课程教学采用任课教师启发式引导、案例解析及课堂小组讨论等相结合的教学方法。在教学过程中，注重以日常生活实例和工程案例启发学生，引导学生对实例和案例中所涉及的传感器基本原理和知识展开讨论，充分发挥学生的教学主体作用，借此调动学生积极性和激发学生独立思考、分析和解决问题的能力，逐步培养其理论知识的工程运用能力。同时，为了方便学生课后预习课程涉及到的基础知识，在每节内容讲授完毕后，教师列出下节内容涉及的基础知识，以便学生课后可以及时温习，从而保证下节课内容的学习。
1.2.3 教学手段的丰富
在教学手段方面，采用多元化教学手段，将多媒体教学、黑板教学及实物教学等多种手段有机结合起来。课程充分利用多媒体教学能够很好地把概念、图形、动画、视频及声音等信息载体有机结合的特点[4]，将一些传统黑板教学手段难以表达的教学内容和无法观察的现象采用图文并茂、灵活多样的多媒体方式生动形象地展示给学生，确保学生能够从认知的角度建立传感器技术的相关概念，力求教学过程与教学效果达到最优化。对于理论抽象的教学内容（例如传感器动态特性章节）则采用黑板式教学与仿真演示相结合手段，通过对公式的详细推导和仿真，加深学生对公式掌握和理解。对于应用性强的教学内容（如传感器原理、信号调理等）则采用多媒体教学、黑板教学及实物教学相结合手段进行讲授，提高学生对教学内容的工程应用能力。
1.2.4 考评体系的创新
在课程考核方面，传统“闭卷考试”的考核模式具有诸多弊端：一是学生临时突击，放松平时学习；二是难以考查学生的知识综合运用能力。为了改善传统考核模式的不足，提出“平时作业20%+课堂讨论表现30%+期末考试50%”，避免了传统依据考试结果定水平的不足，新考评体系重在促进学生的学习主动性，考核学生的知识综合应用能力。平时作业以大作业为主，重点培养学生的探索意识和知识综合运用能力；课堂讨论以工程案例为对象，通过考评学生参与分析讨论的积极性和主动性，培养其运用知识分析解决问题的能力；同时，为了考评学生对课程基本知识的掌握程度，在期末辅以闭卷考试，以确保学生对基础知识的理解和掌握。
2 结语
《传感器技术及应用》课程教学的改革探索，使我们充分认识到教学改革是一个与时俱进的过程，在未来的教学过程中还有待进一步优化和完善课程教学内容、教学方法、教学手段及考评体系。
参考文献
[1] 夏银桥.传感器技术及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.
[2] 张明月.项目式教学法在《传感器与检测技术》课程中的应用[J].电大理工，2009，238（1）：49-50.
【关键词】称重传感器；粮食干燥；应用
0.概述
随着近年来电子技术、检测技术和自动控制技术等科学技术的飞速发展，传感器技术已作为现代信息技术中最为重要的基础技术之一，被广泛的应用于各领域之中。作为传感器技术中发展较早、技术较为成熟的称重传感器技术更是早已被应用于各行各业中，且已做出了巨大的贡献。小到市场里的计费电子秤、实验室里的电子天平，大到汽车检测线百吨以上称重装置等都是以称重传感器为核心制造的设备。
1.称重传感器的种类
称重传感器是传感器众多种类中的最为常见的一种，它是将被测物体的重量这一物理量转换为电信号的一种器件或装置。这种由非电量装换为电量的装置是电子称重仪器中的核心组成部分。称重传感器的种类有很多，按原理可以分为电阻应变片式、电容式、压磁式和振弦式称重传感器等[1]。
1.1电阻应变片式称重传感器
电阻应变片式称重传感器的原理是在外力的作用下将形变转换为电信号。具体的操作方法是在弹性元件表面粘贴应变片，弹性元件在受力之后会发生一定的微小形变，从而引起应变片也随之发生相应的形变，应变片的形变会使它的阻值增大或减小。此时，通过对电路进行测量就会将此形变转换为电信号[2]。电阻应变片式称重传感器以其结构简单、工艺成熟和测量精度高等优点，被广泛应用于市场上的称重产品中，其占据着称重传感器高于九成的市场占有率。因此，电阻应变片式称重传感器具有较广泛的市场前景。
1.2电容式称重传感器
电容式称重传感器的原理是将外力作用转换为电容量变换。它是以具有可变参数的电容作为转换元件，把被测物的重量转换成因极板间距变化而引起的电容变化。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。电容式称重传感器的优点是结构简单、动态响应快、较高的信噪比和较好的系统稳定性。其缺点是负载能力差、输出特性非线性、寄生电容影响大。
1.3压磁式称重传感器
压磁式称重传感器的原理是利用某些铁磁材料的压磁效应来实现由重量到电的变换。当铁磁材料在受到外部拉力或压力作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化：受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小；受压力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应。压磁式称重传感器的量程较大、抗过载能力强，但频率响应较小，测量精度较低（一般在1%左右）。
1.4振弦式称重传感器
振弦式称重传感器是以张紧的钢弦作为敏感元件，根据钢弦的固有振动频率与其张力有关，在对一个给定长度的钢弦施加一定外力时，钢弦的松紧程度出现变化，固有的振动频率也随之改变，即振弦的振动频率反映了被测力的大小。
2.称重传感器在干燥机中的应用
2.1称重法测粮食含水率的原理
目前，称重传感器在各行各业中都发挥了其重要的作用，尤其是在农业生产中。一种将称重传感器与循环式干燥机相结合，用来测量干燥机内部粮食的实时含水率的方法正在逐渐完善。这种以称重法测量粮食含水率的原理是：在已知初始含水率的粮食装入循环式干燥机中后，我们可以通过在干燥机上安装的称重传感器测量出粮食的初始重量（总重去掉干燥机的重量即为粮食的初始重量）。当循环式干燥机开始工作后，随着烘干时间的增长，称重传感器所测得的重量逐渐减小。由于粮食本身的干物质重量是不变的，那么，这逐渐减小的重量就是干燥机通过加热烘干使内部粮食减少的水分重量。所以，我们可以通过下列公式来计算出循环式干燥机中粮食的实时含水率。
依据上述原理，在已知待烘干粮食的初始水分的情况下，我们可以利用上述关系和称重传感器测量的粮食实时重量，计算出粮食的实时含水率，我们把这一可以实时检测粮食含水率的方法称为总重法。
2.2称重传感器的电路设计
一般情况下，应用于干燥机设备中的称重传感器都是以电阻应变片式的传感器为主的。其称重电路主要有信号发生电路（电阻应变片桥式电路）、信号采集电路、信号放大电路、检波滤波电路、模数转换电路和单片机系统等几部分组成。
2.3称重传感器的安装
3.小结
称重传感器在粮食干燥领域中的作用巨大，依据总重法为原理制作而成的水分仪，不仅可以克服电阻式或电容式等水
分仪测量结果影响因素过多等问题，还具有结构简单、安装方便、精度高、可实现快速在线检测等众多优点。在与循环式干燥机配合使用过程中，还可以根据所测得的粮食实时含水率，来及时调整干燥机中的各模型参数。合理控制干燥机热风温度、粮食流速以及干燥时间，提高了干燥机的工作效率。
【参考文献】
关键词：HMP45D，温湿度传感器，原理，维护
引言
HMP45D温湿度传感器是芬兰VAISALA公司开发的具有HUMICAP技术的新一代聚合物薄膜电容传感器，目前大连周水子国际机场空管气象部门已投入业务运行的自动气象站[1]，均采用该传感器。论文范文，。由于该传感器的测量部分总是要和空气中的灰尘和化学物质接触，从而使传感器在某些环境中产生漂移。论文范文，。而仪器的电气参数会随时间的推移、温度变化及机械冲击产生变化，因此传感器需要进行定期维护和校准。
1.HMP45D温湿度传感器的结构
HMP45D温湿度传感器应安装在其中心点离地面1.5米处。其中，温度传感器是铂电阻温度传感器，湿度传感器是湿敏电容湿度传感器[2]，即HMP45D是将铂电阻温度传感器与湿敏电容湿度传感器制作成为一体的温湿度传感器，如图1所示。
图1 HMP45D温湿度传感器外型图
2.HMP45D温湿度传感器的工作原理
2．1 温度传感器工作原理
HMP45D温湿度传感器的测温元件是铂电阻传感器Pt100，其结构如图2。铂电阻温度传
感器是利用其电阻随温度变化的原理制成的。标准铂电阻的复现可达万分之几摄氏度的精确度，在-259.34～+630.74范围内可作为标准仪器。铂电阻材料具有如下特点：温度系数较大，即灵敏度较大；电阻率交大，易于绕制高阻值的元件；性能稳定，材料易于提纯；测温精度高，复现性好[3]。
图2 铂电阻温度传感器结构图
由于铂电阻具有阻值随温度改变的特性，所以自动气象站中采集器是利用四线制恒流源供电方式及线性化电路，将传感器电阻值的变化转化为电压值的变化对温度进行测量[4]。铂电阻在0℃时的电阻值R0是100Ω，以0℃作为基点温度，在温度t时的电阻值Rt为
(1)
式中：α，β为系数，经标定可以求出其值。由恒流源提供恒定电流I0流经铂电阻Rt，电压I0Rt通过电压引线传送给测量电路，只要测量电路的输入阻抗足够大，流经引线的电流将非常小，引线的电阻影响可忽略不计。所以，自动气象站温度传感器电缆的长短与阻值大小对测量值的影响可忽略不计。论文范文，。测量电压的电路采用A/D转换器方式。
2．2 湿度传感器工作原理
HMP45D温湿度传感器的测湿元件是HUMICIP180高分子薄膜型湿敏电容，湿敏电容具有感湿特性的电介质，其介电常数随相对湿度的变化而变化，从而完成对湿度的测量。湿敏电容主要由湿敏电容和转换电路两部分组成，其结构如图3所示。它由上电极(upper electrode)、湿敏材料即高分子薄膜(thin-film polymer)、下电极(lower electrode)、玻璃衬底(glass substrate)几部分组成。
图3 湿敏电容传感器结构图
湿敏电容传感器上电极是一层多孔膜，能透过水汽；下电极为一对电极，引线由下电极引出；基板是玻璃。整个传感器由两个小电容器串联组成。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小，电容量通常在48～56pF。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于湿度0～100%RH的变化，传感器的输出呈0～1V的线性变化。由此，可以通过湿敏电容湿度传感器测得相对湿度。
3．HMP45D温湿度传感器的校准和维护
对HMP45D 传感器的维护，要注意定期清洁，对于温度传感器测量时要保证Pt100 铂电阻表面及管脚的清洁干燥。论文范文，。在清洗铂电阻时一定要将湿度传感器取下，使用酒精或异丙酮进行清洗。其具体步凑如下：
1） 旋开探头处黑色过滤器，过滤器内有一层薄薄的白色过滤网，旋出过滤网，用干净的小毛刷刷去过滤网上的灰尘，然后用蒸馏水分别将它们清洗干净。
2） 等保护罩和滤纸完全风干之后，将其安装到传感器上。然后再将传感器通过外转接盒连接到采集器上，再和湿度标准传感器一起放入恒湿盐湿度发生器进行对比。恒湿盐容器的温湿参数[4]如表1。
表1HMP45D校准前后数据对比
【关键词】TFT-LCD；感应器;PLC信号
前言
传感器在非电量检测与工业生产过程中应用越来越广泛。当前，一方面利用新的传感器原理研制各种新型传感器大量涌现，另一方面电子技术在传感器领域普遍应用，使传感器技术迅速发展。
传感器技术涉及面非常广泛，本文就乐金显示（广州）有限公司TFT-LCD生产线为例,介绍常见的传感器及其应用。TFT-LCD生产线主要包括PCB压榨、机构组装以及回路检测。即将一块Drive Assembly 经过PCB贴合、BACK LIGHT 组装、Agging测试、最终检查和包装这一系列工序。
下面详细介绍TFT-LCD生产线中常见传感器的工作原理及其在生产中的应用。
一、电感式接近开关
1、工作原理：
电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。
2.现场应用
此类传感器在生产资材投入时应用比较多，在PCB loader 部，tray 投入过程都有应用。汽缸上镶嵌的就是常开式，当汽缸上升后，传感器闭合，给予一个到达上升位置的信号，此时PLC 得到信号，进行下步动作。
3、工作流程方框图：
二、 电容式接近开关
1.工作原理：
电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度。
2.工作流程方框图
3.现场应用：
感知到物体时，只亮电源灯（置于运送panel的table底部）。此类传感器在BOX loader 部和panel投入移栽时应用，当装有panel的BOX从滚筒传送到下部shutter 上，panel 吸附至panel buffer shutter（即BCR table）时，检测物体是否到位，给予PLC信号，进行下步动作。
三、位移传感器
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
在组装中应用最多的一类传感器，当panel 经过一系列工序进入老化房或者冷却房时，能看到此类传感器，感知金属质托盘的到达，给予PLC信号，升起stopper，使得托盘有序进入老化、冷却房。
四、压力感应器
压力传感器是用于测量液体与气体的压强的传感器。与其他传感器类似，压力传感器工作时将压力转换为电信号输出。
在压力感应器上设置设定值，气体压力达到设定范围内后，感应器有一个信号输出。
PCBloader以及panel移栽时，所有用到真空吸附的地方，用来判断资材是否吸附，从而能正确达到指定位置，如PCB从tray被吸附起来，投放至假压部，假压受台吸附PCB OK的状态，吸附值达到后给予PLC信号，进行下步动作。
结论
工业生产已经慢慢开始脱离了人力约束，随着科技发展，更加趋向与机械运作，相比人力的各种局限性，机械的持续生产力，生产效率都大大大于人力，在这其中传感器的应用也越来越广泛，越来越重要，对传感器的选择与应用直接关系到生产的顺利进行。
一条完整的生产线，从原材料投入到最后成品产出，经过多道工序，每道工序内容和操作环境不同，对传感器应用也都有不同，选择最合适的传感器和良好的利用各种感应器对生产的顺利进行有着致密的关系，处理好产线上各种感应器之间运作关系，良好的搭配都将是我们做好工作的一条有力途径，在工作中我们也将朝着这个方向努力。
参考文献：
[1]谭福年.常见传感器应用电路1996.
[2]王洪业. 传感器工程 1997
料位测量是物位测量中的一个分支。物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒状固体、气体之间的分界面位置，根据具体用途分为液位、料位和界位传感器。
目前，我国主要是以原煤为发电燃料，大多数电厂锅炉都采用煤粉向锅炉供料。对于直吹式供料的锅炉，煤仓料位高低关系到锅炉乃至发电系统能否正常运行。煤仓料位过满溢出，造成冒煤事故；煤仓料位过低或排空会造成燃烧不稳甚至灭火停机的大事故。对于中贮式供料的锅炉，既有煤仓，又有粉仓，煤仓粉位的控制尤为重要。煤粉仓是燃料的中转站，煤粉是用空气传输的，高热的气体使煤粉进入煤仓中就有了一定的“基温”，一般在70°C左右，其作用是使煤粉有一定的离散性。可是，这个温度使煤粉中的水分快速蒸发并被吸潮管排出仓外，煤粉将越来越干燥，这种煤粉是极易集热，集热的最终结果是燃烧。燃烧加剧周围乃至仓内的集热，周而复始，恶性循环，这样如不能及时的有效控制，其结局将是白白烧掉大量煤粉。据有关资料报道，自燃煤粉约占发电总用煤量的0.5%左右。另外，煤仓煤粉爆炸的损失更大，多年来，煤仓煤粉爆炸事故常有发生，给火电厂造成巨大损失。目前，最经济、最适用的方法是通过可靠的料位传感器对煤仓的煤位和粉位进行监控，使其始终处于最佳中转适控状态，这是火力发电机组安全运行的首要保证。
二、原理及特点
火电厂目前采用的料位传感器主要有重锤式、核辐射式、超声波式和电容式。
1．重锤式料位传感器
重锤式料位传感器由伺服电动机、悬有重锤的钢丝绳、料位发信装置以及带微机的显示仪表所组成。起动后，微机发出降锤信号，伺服电动机转动放下重锤，当重锤碰到料面后，发信器发出信号给微机，使重锤停止下降并发出升锤信号，伺服电动机反转使重锤上升，并发出料位信号值给显示仪表。重锤升至仓顶后电动机停转，经过一段延时后再重复上述动作。显示仪表上还有料位上、下限报警发信等装置。重锤式料位传感器可解决一定量程范围内的测量问题，典型的测量范围可达60m，而且这种测量与蒸汽、灰尘无关，具有较高的测量精度。
2．核辐射式料位传感器
放射源Co-60（半衰期5.26年）和Cs-137（半衰期32.2年）发射的g射线能够穿透容器壁和容器内的物料。在贮仓下侧装有g射线接收器，随着料面高度的变化，g射线穿过料层后的强度也不同，接收器检测出射入的g射线强度并通过显示仪表显示出料位高度。
这是一种非接触式测量法，无需在容器上穿孔而损坏容器，所以适用于危险物品以及高温高压等恶劣环境下的测量。g射线对人体固然存在有害作用，但对于有限剂量，在妥善防护下并无危险。
3．超声波式料位传感器
在贮仓顶部对着料面装有超声波发生器和接收器。发生器发出的超声波经空气层射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超声波发射至接收所经历的时间乘以声速就可计算出料位高度。由于空气温度的高低会影响声波的传播速度，所以还需测量空气温度以修正声速。超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。
4．电容式料位传感器
电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位的原理进行工作的。
电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。
超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞（Kay-Ray）公司和马格尼特（Magnitrol）公司的超声波式料位计，精度可达0.25级；德国E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲区是0.7m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位；德国E+H公司的QG型为核辐射式料位传感器，发射源的Co-60或Cs-137封装在灌铅的钢保护罩内，此罩设有可开闭的窗口，不用时关闭，以免辐射危害。接收器是管状结构，长100～1500mm，它安装在与发射源相对应的位置，若g射线发散角、距离和接收器三者相互配合，在整个量程范围内都能有效地检测。
三、应用
沈阳电力高等专科学校自动控制研究所研制了重锤式料位传感器，并把它应用在670T/h锅炉煤粉仓的料位测量上。
（一）构成原理
该重锤式料位传感器的型号为SE-2，也称智能料位仪，它主要由探测器和控制器组成。探测器由开关磁阻电动机、传动机构和重锤也称探头）组成，由重锤行程反映料位高度。控制器由单片机（8098）、显示器、功率变换器和面板组成。面板采用PVC贴膜，具有数码管显示器、触摸按键和指示灯。用软件控制探测器中重锤的升降过程。
重锤固定在开关磁阻电机的钢丝绳上，依靠自身重力随绕线轮垂直下降某一单位高度，以提升电流的大小判断重锤是否接触到煤粉表面。若提升电流很小，说明重锤已接触到煤粉，这时发出脉冲信号，电机反转至初始位置，使重锤提升至仓顶复位，防止重锤被煤、粉淹埋。若煤或粉很少时，重锤继续下降，分段采集信号，直到触及到煤或粉位，或重锤下降到煤、粉位极限位置，再将重锤提到复位位置并报警，限位开关闭合，电机断电，一次检测结束，等待下一次检测指令。
以单片机（8098）为主控单元的二次仪表接收光电开关输送的磁阻电动机转数信号，经数据处理后进行料位的数字显示。
（二）特性
SE-2重锤式料位传感器的主要特性如下：
①可在加料过程中自动连续运行，不受物料的塌落埋压及冲击等影响；
②其结构可靠性高，适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境；
③具有手动随时检测和自动定时检测两种功能；
④具备上、下限值报警功能和循环显示多点料位高度功能；
⑤有可恢复性故障的恢复处理功能，不可恢复故障的重锤复位及故障信号的显示报警；
⑥对不可恢复的重锤故障，可以用强制提升和下放重锤的功能来处理；
⑦操作简便，使用安全，测量精度高。
超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。
4．电容式料位传感器
电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位的原理进行工作的。
电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。
超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞（Kay-Ray）公司和马格尼特（Magnitrol）公司的超声波式料位计，精度可达0.25级；德国E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲区是0.7m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位；德国E+H公司的QG型为核辐射式料位传感器，发射源的Co-60或Cs-137封装在灌铅的钢保护罩内，此罩设有可开闭的窗口，不用时关闭，以免辐射危害。接收器是管状结构，长100～1500mm，它安装在与发射源相对应的位置，若g射线发散角、距离和接收器三者相互配合，在整个量程范围内都能有效地检测。
三、应用
沈阳电力高等专科学校自动控制研究所研制了重锤式料位传感器，并把它应用在670T/h锅炉煤粉仓的料位测量上。
（一）构成原理
该重锤式料位传感器的型号为SE-2，也称智能料位仪，它主要由探测器和控制器组成。探测器由开关磁阻电动机、传动机构和重锤也称探头）组成，由重锤行程反映料位高度。控制器由单片机（8098）、显示器、功率变换器和面板组成。面板采用PVC贴膜，具有数码管显示器、触摸按键和指示灯。用软件控制探测器中重锤的升降过程。
重锤固定在开关磁阻电机的钢丝绳上，依靠自身重力随绕线轮垂直下降某一单位高度，以提升电流的大小判断重锤是否接触到煤粉表面。若提升电流很小，说明重锤已接触到煤粉，这时发出脉冲信号，电机反转至初始位置，使重锤提升至仓顶复位，防止重锤被煤、粉淹埋。若煤或粉很少时，重锤继续下降，分段采集信号，直到触及到煤或粉位，或重锤下降到煤、粉位极限位置，再将重锤提到复位位置并报警，限位开关闭合，电机断电，一次检测结束，等待下一次检测指令。
以单片机（8098）为主控单元的二次仪表接收光电开关输送的磁阻电动机转数信号，经数据处理后进行料位的数字显示。
（二）特性
SE-2重锤式料位传感器的主要特性如下：
①可在加料过程中自动连续运行，不受物料的塌落埋压及冲击等影响；
②其结构可靠性高，适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境；
③具有手动随时检测和自动定时检测两种功能；
④具备上、下限值报警功能和循环显示多点料位高度功能；
⑤有可恢复性故障的恢复处理功能，不可恢复故障的重锤复位及故障信号的显示报警；
料位测量是物位测量中的一个分支。物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒状固体、气体之间的分界面位置，根据具体用途分为液位、料位和界位传感器。
目前，我国主要是以原煤为发电燃料，大多数电厂锅炉都采用煤粉向锅炉供料。对于直吹式供料的锅炉，煤仓料位高低关系到锅炉乃至发电系统能否正常运行。煤仓料位过满溢出，造成冒煤事故；煤仓料位过低或排空会造成燃烧不稳甚至灭火停机的大事故。对于中贮式供料的锅炉，既有煤仓，又有粉仓，煤仓粉位的控制尤为重要。煤粉仓是燃料的中转站，煤粉是用空气传输的，高热的气体使煤粉进入煤仓中就有了一定的“基温”，一般在70°c左右，其作用是使煤粉有一定的离散性。可是，这个温度使煤粉中的水分快速蒸发并被吸潮管排出仓外，煤粉将越来越干燥，这种煤粉是极易集热，集热的最终结果是燃烧。燃烧加剧周围乃至仓内的集热，周而复始，恶性循环，这样如不能及时的有效控制，其结局将是白白烧掉大量煤粉。据有关资料报道，自燃煤粉约占发电总用煤量的0.5%左右。另外，煤仓煤粉爆炸的损失更大，多年来，煤仓煤粉爆炸事故常有发生，给火电厂造成巨大损失。目前，最经济、最适用的方法是通过可靠的料位传感器对煤仓的煤位和粉位进行监控，使其始终处于最佳中转适控状态，这是火力发电机组安全运行的首要保证。
二、原理及特点
火电厂目前采用的料位传感器主要有重锤式、核辐射式、超声波式和电容式。
1．重锤式料位传感器
重锤式料位传感器由伺服电动机、悬有重锤的钢丝绳、料位发信装置以及带微机的显示仪表所组成。起动后，微机发出降锤信号，伺服电动机转动放下重锤，当重锤碰到料面后，发信器发出信号给微机，使重锤停止下降并发出升锤信号，伺服电动机反转使重锤上升，并发出料位信号值给显示仪表。重锤升至仓顶后电动机停转，经过一段延时后再重复上述动作。显示仪表上还有料位上、下限报警发信等装置。重锤式料位传感器可解决一定量程范围内的测量问题，典型的测量范围可达60m，而且这种测量与蒸汽、灰尘无关，具有较高的测量精度。
2．核辐射式料位传感器
放射源co-60（半衰期5.26年）和cs-137（半衰期32.2年）发射的g射线能够穿透容器壁和容器内的物料。在贮仓下侧装有g射线接收器，随着料面高度的变化，g射线穿过料层后的强度也不同，接收器检测出射入的g射线强度并通过显示仪表显示出料位高度。
这是一种非接触式测量法，无需在容器上穿孔而损坏容器，所以适用于危险物品以及高温高压等恶劣环境下的测量。g射线对人体固然存在有害作用，但对于有限剂量，在妥善防护下并无危险。
3．超声波式料位传感器
在贮仓顶部对着料面装有超声波发生器和接收器。发生器发出的超声波经空气层射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超声波发射至接收所经历的时间乘以声速就可计算出料位高度。由于空气温度的高低会影响声波的传播速度，所以还需测量空气温度以修正声速。超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。
4．电容式料位传感器
电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位的原理进行工作的。
电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。
超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞（kay-ray）公司和马格尼特（magnitrol）公司的超声波式料位计，精度可达0.25级；德国e+h（endress+hauser）公司的du212和du213，最小盲区是0.7m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位；德国e+h公司的qg型为核辐射式料位传感器，发射源的co-60或cs-137封装在灌铅的钢保护罩内，此罩设有可开闭的窗口，不用时关闭，以免辐射危害。接收器是管状结构，长100～1500mm，它安装在与发射源相对应的位置，若g射线发散角、距离和接收器三者相互配合，在整个量程范围内都能有效地检测。
三、应用
沈阳电力高等专科学校自动控制研究所研制了重锤式料位传感器，并把它应用在670t/h锅炉煤粉仓的料位测量上。
（一）构成原理
该重锤式料位传感器的型号为se-2，也称智能料位仪，它主要由探测器和控制器组成。探测器由开关磁阻电动机、传动机构和重锤也称探头）组成，由重锤行程反映料位高度。控制器由单片机（8098）、显示器、功率变换器和面板组成。面板采用pvc贴膜，具有数码管显示器、触摸按键和指示灯。用软件控制探测器中重锤的升降过程。
重锤固定在开关磁阻电机的钢丝绳上，依靠自身重力随绕线轮垂直下降某一单位高度，以提升电流的大小判断重锤是否接触到煤粉表面。若提升电流很小，说明重锤已接触到煤粉，这时发出脉冲信号，电机反转至初始位置，使重锤提升至仓顶复位，防止重锤被煤、粉淹埋。若煤或粉很少时，重锤继续下降，分段采集信号，直到触及到煤或粉位，或重锤下降到煤、粉位极限位置，再将重锤提到复位位置并报警，限位开关闭合，电机断电，一次检测结束，等待下一次检测指令。
以单片机（8098）为主控单元的二次仪表接收光电开关输送的磁阻电动机转数信号，经数据处理后进行料位的数字显示。
（二）特性
se-2重锤式料位传感器的主要特性如下：
①可在加料过程中自动连续运行，不受物料的塌落埋压及冲击等影响；
②其结构可靠性高，适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境；
③具有手动随时检测和自动定时检测两种功能；
④具备上、下限值报警功能和循环显示多点料位高度功能；
⑤有可恢复性故障的恢复处理功能，不可恢复故障的重锤复位及故障信号的显示报警；
⑥对不可恢复的重锤故障，可以用强制提升和下放重锤的功能来处理；
⑦操作简便，使用安全，测量精度高。
超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。
4．电容式料位传感器
电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位的原理进行工作的。
电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。
超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞（kay-ray）公司和马格尼特（magnitrol）公司的超声波式料位计，精度可达0.25级；德国e+h（endress+hauser）公司的du212和du213，最小盲区是0.7m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位；德国e+h公司的qg型为核辐射式料位传感器，发射源的co-60或cs-137封装在灌铅的钢保护罩内，此罩设有可开闭的窗口，不用时关闭，以免辐射危害。接收器是管状结构，长100～1500mm，它安装在与发射源相对应的位置，若g射线发散角、距离和接收器三者相互配合，在整个量程范围内都能有效地检测。
三、应用
沈阳电力高等专科学校自动控制研究所研制了重锤式料位传感器，并把它应用在670t/h锅炉煤粉仓的料位测量上。
（一）构成原理
该重锤式料位传感器的型号为se-2，也称智能料位仪，它主要由探测器和控制器组成。探测器由开关磁阻电动机、传动机构和重锤也称探头）组成，由重锤行程反映料位高度。控制器由单片机（8098）、显示器、功率变换器和面板组成。面板采用pvc贴膜，具有数码管显示器、触摸按键和指示灯。用软件控制探测器中重锤的升降过程。
重锤固定在开关磁阻电机的钢丝绳上，依靠自身重力随绕线轮垂直下降某一单位高度，以提升电流的大小判断重锤是否接触到煤粉表面。若提升电流很小，说明重锤已接触到煤粉，这时发出脉冲信号，电机反转至初始位置，使重锤提升至仓顶复位，防止重锤被煤、粉淹埋。若煤或粉很少时，重锤继续下降，分段采集信号，直到触及到煤或粉位，或重锤下降到煤、粉位极限位置，再将重锤提到复位位置并报警，限位开关闭合，电机断电，一次检测结束，等待下一次检测指令。
以单片机（8098）为主控单元的二次仪表接收光电开关输送的磁阻电动机转数信号，经数据处理后进行料位的数字显示。
（二）特性
se-2重锤式料位传感器的主要特性如下：
①可在加料过程中自动连续运行，不受物料的塌落埋压及冲击等影响；
②其结构可靠性高，适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境；
③具有手动随时检测和自动定时检测两种功能；
④具备上、下限值报警功能和循环显示多点料位高度功能；
⑤有可恢复性故障的恢复处理功能，不可恢复故障的重锤复位及故障信号的显示报警；
原理的正确性
高压线路停电检修时必须遵循停电、验电、挂地再开始操作的规定。验电操作必须通过验电器来完成。验电器是用来检测电力设备上是乔存在电压的常用电力安全工具之一，通过验电器明确验证停电设备是否确无电压，再进行其他操作，以防止出现带电装接地线(合接地刀闸)、误碰有电设备等恶性事故的发生。因此，在电力行业中验电器的作用不可忽视。
传统的验电器都是便携式的，通常是把验电器安装在操作杆上，操作时用验电器直接与高压线路接触，验电器中的电阻将高电压降低到安全的电压值(通常是几伏)，通过人体到大地形成一个回路，验电器中通常都带有声音或发光指示线路是否带电。传统的验电器小巧、携带方便，但必须与高压线路接触才能使用，因此仍然存在安全隐患。传统验电器在使用中要用到电池，这给使用带来不便，并且在使用中如果电池电能耗尽而没有及时更�导致验电器不能正确发声或发光也会带来安全隐患。非接触式验电器是一种新型验电器，它突破厂传统验电器设计理论和思路的束缚，无须接触即可检测高压线是否带电，使用起来安全、方便、正确。
非接触式高压验电器简介
非接触式高压验电器功能简介
非接触式验电器是一种新型验电器，它不直接与高压线接触，利用高压线附近的电场来检测高压线路是否带电，通过指示灯发出有电或无电信息，同时还可以给监控设备发送有电或无电的监控信息。本能装置固定安装在室外某段高压线的电线杆上，它采用交流或直流电源对整个设备供电，免去了更换电池的烦恼，因此它既可以用于检测高压线是否带电，也可以用于长期监视高压线工作。本装置外部安装了防水盒，完全可以满足室外工作的要求。
本次开发的验电器主要用于铁路中高压输电线路的监测工作，其设计要求是监测铁路中27.5kV电压线路的运行情况。
非接触式高压验电器使用现场简介
铁路上一般都有两路以上的电线，因此相互线路之间都存在电场干扰，从现场测得的结果来看最大相互干扰不超过0.9V，在本线路有电情况下传感器读出来的信号一般在3～5V，最低为2.47V，本线路无电而其他相邻线路有电时信号一般为0.5～0.8V，最高为0.89V。
传感器输出信号跟天气有一定关系，晴天信号较强，一般在4～5V，雨天特别是大雨天信号相对较弱，一般在3～4V。本文认为下雨天特别是大雨天，传感器外壳被雨淋湿，而传感器外壳与大地连接，使得传感器外壳上的水膜形成了一个与大地连接的屏蔽罩，最终导致传感器读取的信号较弱。
现场存在各种干扰信号，主要是来自于电力机车，从示波器中测得的波形来看都是高次谐波，表现为波峰(谷)处或附近出现毛刺波形。因此滤波必不可少。
非接触式高压验电器的工作原理
本装置由传感器、信号跟随电路、滤波电路、倍压整流电路、减法电路、放大电路、施密特触发电路、信号指示和监控信号发送电路组成，其原理图如图1所示。传感器读取高压线附近的电场信号，传感器送出的交流信号经过信号跟随电路跟随并正向偏置后进行滤波，然后将交流信号倍压整流成直流信号，减法器减掉相邻线路间的干扰信号，放大器将信号进行必要的放大后送入施密特触发器，触发器根据输入信号的大小送出有电、无电两种信号，信号指示灯将有电无电信号在验电器上显示出来，同时监控信号发送电路将有电无电信号送入室内监控设备。
非接触式高压验电器的结构
电源
电源对整个设备提供12V的直流工作电压，本装置一般安装在铁路配电所附近，各个配电所能提供的电源不同，有交流220V也有直流110V，因此本装置中选用了北京新兴博思达科技有限公司的HQE 15W交流／直流隔离变换器作为电源，该电源输入可以是交、直流，输出电压为直流12V。
传感器
传感器安装在距离高压线0.8m的正下方，用于读取高压线附近的电场信号。本装置中的传感器采用铜片电容设计，从电容两端分别引出两根导线，靠近高压线处铜片引出的导线作为信号输出的正极，另一端接地。传感器的信号线外都加有屏蔽层，屏蔽层与传感器信号线中的地线一同接地。传感器送出的信号为工频50Hz交流电压信号。
信号跟随电路
电容式传感器电流驱动能力较弱，这就对验电器的输入阻抗有较严格的要求。从实际使用的情况来看，输入阻抗最佳值是在1～2MΩ。另外由于传感器送出的是交流信号，并且验电器使用单电源，故在信号进入后必须进行偏置，否则在滤波处就会将信号负半周截止掉。信号跟随电路如图2所示。信号由C1－l输入，Cl－3接地，电容C101隔去直流干扰信号。电位器W101按电源，另一端与R101连接组成偏置电路，通过调节W101来为�入新提供合适的偏置电压。C102为退偶电容。
滤波电路
本电路中采用了一阶巴特沃思低通滤波，滤波截止频率为50Hz。信号经过滤波之后高次谐波得到明显的削弱，验电器的稳定性得到加强。
倍压整流电路
倍压整流电路将交流信号转换为直流信号。验电器最后只需枪测出高压线有电和无电两种状态，信号经过整流之后就转化为直流信号供后续电路处理。
减法电路
相邻线路之间存在着相互干扰信号，减法电路可以将干扰信号减掉或将过强的信号衰减到合适的值。
放大电路
不同现场中信号强弱不一样，有些现场的信号经过倍压之后不足以驱动后续电路工作，放大器可以将信号放大到合适的大小。
施密特触发电路
现场中信号在电力机车通过的时候难免出现一定幅度的波动，在之前设计的验电器中曾经山现过指示灯连续跳动的问题，跳动频率几十赫兹。施密特触发电路可以很好的解决这个问题。本电路采用NE555设计，阈值电压为4V和8V，即输入电压大干8V时输出为低电平，输入电压低于4V时输出为高电平。
信号指示和监控信号发送电路
指示灯将高压线有电或无电信号在验电器上显示出来，监控信号发送电路将有电或无电信号送入监控室。施密特触发电路输出的信号控制两路并联继电器，一路控制信号灯，另一路继电器根据输入端的信号发出断开、闭两个状态将有电无电信号送如室内监控设备。
结束语
