电容式传感器的发展及应用报告、论文(电子系-完整版

电容式传感器的发展及应用报告、论文(电子系-完整版

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电容式传感器应用与发展

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（系09级自动化专业，0905075015）

摘要：随着传感器不断的发展与成熟，电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，在农业、工业等领域的发展作出突出贡献。电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。

关键词：电容传感器粮食水分液位前景

0 引言

电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，具有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性。

1电容式传感器的应用

1.1电容式传感器在农业上的应用

在农业生产中，长期以来，粮食水分检测一直依靠手搓、嘴咬、眼观为主要的判别方法，人为影响很大。但是国家在粮食收购过程中开始推行收购统一化、标准化，其中就包括粮食水分检测的标准化，因此设计一套粮食水分快速检测仪是十分必要的。

传统的电烘箱恒重法是利用电阻炉加热并根据失去的质量来测量粮食的含水量，因此可以实现粮食水分的在线测量，并可以作为其它水分仪标定的标准装置。但它是一种间歇式的测量装置，测量周期较长，大约需要.40S，不能实现对粮食水分的连续测量，不利于提高控制指标。在研究了粮食的导电浴盆效应的基础上提出了用电容式传感器测量粮食的水分。这种方法把粮食作为电介质，通过测量粮食的介电常数来测量粮食的含水量。由于用电容式传感器测量电容时，在电容两端还有一个并联的电导成分，因此总的变化是由电容（C）与电导（G）的比值来反映的，又由于C/G 的值与相角有确定的函数关系，因此只要测量出相角的值即可以测量出水分的含量。用这种方法设计出的测量装置结构简单、成本低，并可以连续的在线测量。

在设计中采用电容式传感器作为测量器件。该传感器是根据变介质型电容式传感器设计的。被测粮食放入电容式传感器两极板间时，由于粮食的含水量不同，从而使电容式传感器

的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化。在电容式传感器一端施加一个正弦高频激励信号，则在其输出端必然产生一个衰减响应，而且，激励与响应信号是同频的，只是相位发生了平移，通过测量相角即可求得电容与电导的比值，从而测出粮食的含水量。由于所测的粮食为颗粒形状，其装入容器中存在许多气隙，因而其介电常数较小，但其传感器的极板有效面积不能太小，因此本系统的电容式传感器采用同轴的圆筒型电容式传感器。采用圆筒型电容式传感器的另一目的是它的电极是非对称的，即内极板被外极板所包络，这样可以十分有效地抑制人体感应。圆筒型电容式

传感器的结构如图

1.2 电容式传感器在工业上的应用

饮料包装中产品净含量是否达标是产品质量的一个重要指标。虽然在饮料灌注机上使用精确流量计来满足定量灌装的要求,但灌注机长期高速

运行会导致灌注机件磨损或喷管堵塞,从而造成灌注的实际值和设定值有偏差;有些含气饮料刚灌注好时会有大

量泡沫存在,如果瓶盖没盖严,饮料将会溢出,从而导致饮料实际含量偏低。所以,在实际生产中,饮料灌装好后要用液位检测仪实时检测瓶子的液位。

目前,饮料包装中的液位检测方法主要有射线、红外线、光学、红外

热成像以及声波等,但这些方法都有

一定的缺陷。为了能够快速精确地检

测液位,需要设计出一套测量精度高、速度快、造价低、维护容易的液位检

测设备,而且这个设备对被测对象没

有过多要求,对人体没有伤害,电容式

液位检测装置可以满足上述要求。

以玻璃瓶装饮料为例,电容传感器的两块电极放置在瓶颈两侧,电极与瓶颈之间留有一定的间距,以免瓶子在输送带上运行时碰撞到电极,电极的高度以液位在电极的检测范围内为宜。两电极间有三种介质,分别是水,玻璃和空气。已知饮料(水) 为极性电介质,其相对介电常数为81 ,玻璃和空气属非极性电介质,介电常数分别为2.

2 和1 。由于水的介电常数远大于空气和玻璃的介电常数,所以瓶中液位的变化将明显改变检测电极的电容。当液位增加时,电容增大,液位降低时,电容减小。为了检测电容的变化,把传感器电容C和固定电阻R 串联起来,接在高频信号源上。高频振荡源产生稳定的正弦波, 信号回路的阻抗为

R+1/JWC,当电容增大时, 电路阻抗降低, 流过R 上的电流I增大, R 上的电压U增大。把R 上的电压U放大、整流、滤波后就可以得到稳定的直流电压输出,通过和给定的电压值进行比教就可以看出是不是合格。

2 传感器的发展前景

电容式传感器有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。

1、微型化

为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠

性、灵敏性等）的要求越来越严格；

与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。

2、智能化

随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功能，故可以方便地对传感器所采集的数据进行存储记忆、比较分析。

3、传感器网络应用方向

（1）军事应用

传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。

（2）环境应用

应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等

3 结束语

当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD 技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。

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