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淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译学 院：电子与电气工程学院专 业：测控技术与仪器姓 名：徐 立学 号：1071203131外文出处：IEEE Press, Piscataway, New Jersey.附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。指导教师评语： 年月日签名： 注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文电容式传感器1.简介电容式传感器可以直接感应各种物理量位移，化学成分，电场等，并且能间接感应其他许多变量能被转换成位移或介电常数的各类物理量，例如压力，加速度，液位，液体的组成。它们是通过施加5V电压的检测电路将变化量转化为电容电压，频率或脉冲宽度的变化量。电容式传感器的应用范围非常广泛。1907年，第一次提到电容式传感器是在自然上，但是它的特点是很少传感器所具备的。令人惊奇的是，这随着低成本的技术及其良好的稳定性，和简单的调节电路的实现，传感器的偏移和增益调整不是必需的，作为电极的原始输出信号的电容跨度几乎可以与电源接轨。这些优势可以用来进行许多转换。经常听到的反对电容式传感器技术的说法，它是对湿度敏感的不稳定和对高阻抗电路的需要。事实上，潮湿空气也只比干燥的空气介电常数高百万分之一，因此湿度本身也没有什么问题。但对于适当的电路设计和印刷电路板布局，电容式传感器和其他类型的传感器也有着区别。他们不能承受放置在潮汐或凝结的空气中，只有少数的电路可以。设计过程通常遵循以下步骤1）电极板的设计来衡量所需的变数。电容的最大值与极板面积和极板间距有关2）通过把电容加上适当的电路来防范或屏蔽电极传感器的杂散电容和串扰3）计算传感器电容，杂散电容和输出信号摆幅4）指定转换的功能，如E0= C（面积线性），E0= 1/C（间距线性）。使用两个高精度平衡电容器，例如传递函数C1/C2或（C1- C2）/（C1 + C2）5）选择一个激励频率足够高降低噪音。通过增加激发频率来降低外部和内部电路产生的噪音6） 设计电路，既要以满足精度为目标，也要考虑外界环境1.1应用电容式传感器具有广泛的用途。如：1）将流量通过电容传感器转化为电信号，电容式传感器也可以用来测量位移。2）具有稳定灵敏偏转特性的探测器可以用来测量压力。3）电容液位传感器，可以放置在导电液体的上方，或用于测量非导电油箱外板的电容变化，测量箱内的液位4）间距 需要将放置金属物体附近的电容电极靠的比较近。5）扫描多片传感器 单板间距测量可以推广到多板间距测量。导电和绝缘的表面都可以测量。6）厚度测量 -测量其介电常数已知的绝缘体厚度，或介电常数已知的接触板的厚度。7）冰探测器 -飞机机翼结冰可检测机翼前缘使用的绝缘金属条。8）轴角或直线位置-电容式传感器可以测量角度和位置，用multiplate方案给出精度高和数字形式的输出,或用一种较少的绝对准确性，但更快的响应和更简单的电路模拟输出。9）灯调光开关-普通金属板软触摸灯调光器采用60Hz的激励和感应到人体的电容。10）钥匙开关- 利用电容式按键开关，或用手指移动导电柱塞使两个小板之间的耦合中断。11）限位开关 -限位开关可以探测到一个电容的增加。12）XY坐标- 电容大小不同的图形输入可作为输入设备电脑鼠标的XY坐标，手指触摸敏感，Z轴敏感和手写笔激活的设备都可供选择。13）加速度计-ADI公司推出了1.5克的敏感性集成加速芯片。有了这种敏感性芯片的设备可以作为一个倾斜仪。2. 电容的计算2.1最简单的电极结构是两个一定间距的平行板所构成的。图1平行板图1为100毫米100毫米尺寸和间距为1mm钢板所组成的电容器，（忽略边缘影响），在真空中的电容是88.54 pF。真空介电常数r或相对介电常数K为1，空气电介质常数增加至1.0006。如塑料或油电介质材料具有典型3-10的介电常数，水等流体具有50或者更高的介电常数。边缘通量的影响，如果极板接近板间距，图1计算是准确的。但是，随着板间距的增加而使相对面积增加，更多的磁力线就可以通过边缘和板背上，测量电容可以远远大于计算值。图2 同轴圆柱2.2任意形状的电极电容计算任意电极电容涉及到了柏松定律。简单说，通常可以解决径向或矩形对称的电容计算，但是对于计算相对复杂形状的电容是比较困难的。对于非对称电极，可近似解。磁力线素描能够产生出近似正交的磁力线和等势面，并通过素描的面积来计算出电容的大小。有限元素分析软件和其他方面提供相当于执行一个粗略的磁场线素描。有限元素分析程序可以处理二维或三维制作电容值的磁力线图。3.位移测量电容式传感器常用于直接与非接触式角度测量，以及测量线性位移，极板间距。根据测量工作的使用，传感器电极有几种不同的安装。对于小位移精确测量，线性变化的间距是最好的，但是测量别的，面积变化是最好的。三电极系统可以提高性能，在许多板块并行使用，增加电容。多板可以独立处理，以便更好的得到高精度的测量值。4.传感器其他测量量电容式传感器直接检测电极的位移，导电或绝缘物体的位移，或使用材料的介电性。所有其他变量都必须先转换成其中之一。 由于该技术具有优秀的，稳定的，低噪声检测的能力，这种间接的方法效果很好。图3等效电路电容的等效电路可以近似于此电路，串联电阻小，为我们高阻抗使用忽略电感。良好的介电层电容器具有非常大的分流电阻;聚丙烯电容器使用寿命已超过300小时。其他材料具有更小的分流电阻，有时达到了电容阻抗的5-10。虽然介电常数K是最稳定的，但分流电阻或同等水平的损耗角正切可能会显示与材料性能或与频率有很大差异。例如，干皮的损失角正切为0.045，但有15相对湿度的干皮的损耗角正切增大到1.4。当空气在1100千赫损耗正切0.0001辛烷值，但在91辛烷值损失正切上升到0.0004水有一个高K（80）和一个损失角正切在低频率达到高峰，又在1010 Hz这种高介电活动，损失角正切或水的介电常数可以用来检测材料的水分含量。另一个电容器电介质特性，可能有一些材料性能检测的使用介质吸收。它是通过检测一个电容器充电、放电10秒，再现后15分钟的变化。一个相对低质量的介质如镀铝纸有10的电介质吸收。5.信号调理信号调理电路转换成电压、频率或脉冲宽度调制电容变化。简单的电路都可以使用，但简单的电路可能由泄漏或杂散电容的影响，可能不适合应用于微小电容的测量。图4 RC振荡器RC振荡器中一个间距变化的电容器将会产生一个线性间距的频率输出，一个面积变化的电容器则可以用来测量线性化的脉冲宽度。如图4所示电路没有容纳杂散电容的方式。例如，电容器是由同轴电缆连接，电缆的电容，增加了被测电容的稳定性和灵敏度。通常，计算机软件可以用来校正这些错误，但同步解调器电路是一个更好的选择。 RC振荡器的另一个缺点是电容是相对于固定电阻，电阻温度的升高导致系数不稳定影响到电路测量。电容解调器中电桥的使用使得测量电路的精度更加高。6.缺点 相对于其他类型的传感器，高阻抗电容式传感器需要特殊处理。次微安直流或交流信号耦合到放大器的输入必须防止一些可能的危害。6.1 泄漏小型传感器板可能有几兆欧的放大器输入阻抗，所以需要几百兆欧的阻抗防止泄漏。泄漏路径通常在印刷电路板表层,通常由下面几种情况所致： 1）松香残留或润滑油收集空气中的杂质2）导电残留物3）油漆，碳的着色4）较高的湿度防止泄漏一种典型的高阻抗放大器是可以用来防止表面泄漏。图18保护泄漏路径的低阻放大器运算放大器的输入偏置电流可以低至10fA。由大小为1015欧姆的表面泄漏电阻而引起的泄漏电流和运算放大器的偏置电流相等，能够使放大器输出达到一个极值。仔细清洁或保形涂层将对防止泄漏有所帮助，但是一个简单的保护技术是最好的。如上图所示带有接地印刷电路轨迹的防泄装置采用点线式中断泄漏路径。因为阻焊层是在保护轨迹上对表面电流进行追踪，所以它必须在保护箔上予以解除。6.2静电静电电荷可以在绝缘体附近由于电容式感板摩擦而产生,从而导致在一些危险情况下引起火花。在更严重的情况下,一种积聚50-100V的电荷不会产生电弧,但会对机械振动产生有害的敏感性。这种敏感性由恒电容器电荷电压V = Q / C产生，由于振动随间距变化而变化的电容可以驱动