時間：2022-01-30 13:50:56
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電容式傳感器，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
因為混合信號ICT藝得到廣泛的采用，這種技術允許芯片設計師優化芯片的模擬和數字子系統，以構建具有前所未有的靈敏度和耐用性的電容式傳感器，而且成本是機械式開關所不能比擬的。
如何工作
電容式傳感器基本上可以分成三類：電場傳感器、基于弛張振蕩器的傳感器以及電荷轉移(QT)器件。電場傳感器通常會產生數百kHz的正弦波，然后將這個信號加在電容一個極板的導電盤上，并檢測另外一個導電盤上的信號電平。當用戶的手機或另外的導體對象接觸到兩個盤的時候，接收器上的信號電平將改變。通過解調和濾波極板上的信號，可能獲得一個直流電壓，這個電壓隨電容的改變而變化；將這個電壓施加在閾值檢測器上，即可以產生觸摸／無觸摸的信號。
弛張振蕩器使用了一個電極盤，其上的電極電容構成了鋸齒波振蕩器中的可變定時單元。通過將恒定電流饋入到電極線，電極上的電壓隨時間線性增加。該電壓提供給比較器一個輸入，而比較器的輸出連接到一個與電極電容并行連接的接地開關上。當電極電容充電到一個預先確定的閾值電壓時，比較器改變狀態，實現開關動作一對定時電容放電，打開開關，這個動作將周期性的重復下去。其結果是，比較器的輸出是脈沖串，其頻率取決于總的定時電容的值。傳感器根據不同的頻率改變來報告觸摸／無觸摸狀態。
QT器件利用了一種稱為電荷保持的物理原理。舉例來說，開關在一個短時間內施加一個電壓到感應電極上對其充電，之后開關斷開，第二個開關再將電極上的電荷釋放到更大的一個采樣電容中。人手指的觸摸增大了電極的電容，導致傳輸到采樣電容上的電荷增加，采樣電容因此改變，據此就能得出檢測結果。
QT器件在突發模式采樣之后即進行數字信號處理，這種方法能提供比競爭方案更高的動態范圍和更低的功耗，而自動校準例程可以補償因為環境條件改變帶來的漂移。更重要的是，這種方法足夠靈敏，在電流透過厚的面板時不需要一個參考地連接，因此適合電池供電的設備。Quantum(量研公司)的QT芯片就是采用這種方法。
應用實例
QT芯片出現在一系列具有挑戰性的應用中，如微波爐和爐灶面控制。它在這些應用中必須承受很高的濕度、污染挑戰。而便攜式電子產品也經常面對這種情況，它們所處的環境經常變化，因此QT傳感器也非常適合這種應用。QT傳感器在干擾下的高電阻對于移動設備來說至關重要，因為它們附近經常有很強的輻射源，如：PC、手機等。
因為這個原因，QT芯片越來越多地在便攜式設備中出現。很多領先的亞洲OEM廠商都采用了這種技術，包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如，在JWM一811 0閃存播放器中就采用了QTl080，而Microstar在其Mega Player536 MP3播放器中采用了QTll01。這些芯片可以工作在2．8―5．5V電源電壓下，吸收的電流大約為40 L1 A，專門針對移動電子產品進行了優化，采用了5mm x5mm x 0．8mm QFN封裝，這種封裝是空間有限的手機和遙控設備所必需的。QTl 0 8 0支持8個獨立的按鍵通道，QTll01支持10個通道。兩個芯片都包括鄰近按鍵抑制(AKSTM)功能，可以確保芯片正確地識別手指的位置。這個概念很簡單，通過比較鄰近按鍵的信號電平來確定最大值，這樣就能確定“真正的”手指位置。設計者可以自行選擇是否啟用AKS功能。QTl080利用一個硬件狀態線連接每個輸入通道，而QTll01通過一個串行連接輸出。像所有的QT芯片一樣，這兩種方法都利用擴譜搜索自動校準，使噪聲抑制最大化。
一般可用多輸入通道實現滑動按鍵或旋轉按鍵，而專用的QT系列芯片只用三個分辨率為7位(128點)的通道就能實現高分辨率線性滑動或旋轉界面。例如QT511(該芯片的主要目標應用也是便攜式電子產品)使用三個感應通道來驅動通用電氣公司的一位發明家于1978年設計的電極圖形，可返回一個128點的結果。
其他可能性
很多設計師都利用QT芯片來替代電阻式觸摸屏。因為該方法只需要將單透明層鋪設在屏幕上用于感測，與多層電阻式技術相比，對光線的吸收大大降低。OEM廠家還使用多通道傳感器來實現可編程的不透明觸摸表面，面板的配置由軟件來調配，這能幫助降低材料成本。同樣的辦法還為用戶依據個人喜好配置觸摸屏提供了可能，用戶可從網絡服務器下載規格，或者自己運行一個配置程序。
關鍵詞：糧食水分；電容式；發展趨勢
中圖分類號：TS211.41 文獻標識碼：A
前言
糧食是人類賴以生存的物質基礎，其質量的好壞是關系到國計民生的大事[1]。在運輸和儲藏過程中，糧食的含水率是影響其質量的一個非常重要的指標。糧食中的水分按物理性質可分為游離水（自由水）和結合水（結晶水）。游離水是通過物理吸附作用凝聚在糧食顆粒內部的毛細管內和分子間隙中的水分；結合水是通過化學作用吸附在糧食細胞內或糧食分子結構中的水分。游離水具有普通水的一般性質，其對糧食的質量有著重要的影響，糧食的含水率就是指游離水占糧食重量的百分比[2]。
糧食剛收獲時一般內部都含有較高的水分，高含水率會促使糧食生命活動旺盛，容易造成糧食發熱、霉變、生蟲和其他的生化反應。為了確保糧食的安全儲藏，必須對收獲后的糧食進行及時干燥，將其含水率降至安全儲藏標準[3-4]。因此，糧食水分檢測技術在糧食干燥過程中顯得尤為重要。
1 糧食水分的檢測方法
糧食水分的檢測方法主要有直接法和間接法。直接法通過對糧食進行加熱干燥后直接測量其水分的含量。這種檢測方法是一種基準法，測量時不會改變樣品的性質，但它是一種間歇式的測量方法，一般需要較長的測量周期，根據所使用的方法不同，測量時間大約需要十幾分鐘到幾個小時不等，不能實現對糧食水分含量的連續測量。間接法是通過測量與水分含量變化相關的物理量從而得到糧食的水分含量，因此容易實現水分的在線測量。間接法包括化學法、電導法、電容法、中子法、微波法、光學法等[5]。其中，電容法具有結構簡單、分辨率高、動態響應快以及價格便宜等特點，但其受外界影響的因素較多，數據處理也相對復雜。
2 電容式糧食水分傳感器及原理
電容式糧食水分傳感器是依據電容法為基礎設計的，其原理是：在常溫下，干燥糧食的介電常數為2～4，而水的介電常數約為80。糧食干質的介電常數遠遠小于水的介電常數。當電容式水分傳感器以糧食作為極間介質時，糧食含水率的變化必將引起其介電常數的相對變化，在電容器極板面積和極板間距不變的條件下，可以通過測量此電容器的電容值變化來測定糧食的相對介電常數值，由此得出被測糧食的含水率[6]。
目前，常見的電容式糧食水分傳感器的極板結構主要有2 種型式：圓筒型和平行極板型[7]。
2.1 圓筒式電容傳感器
圓筒式電容傳感器一般是把傳感器的電容極板制作成同心軸圓柱形，即類似量筒或量杯的形狀，2塊圓形極板的中空部分是糧食的采樣區域。
圓筒式電容傳感器的極板結構如圖1所示。
圖中圓筒式電容傳感器的高為L，內極板為半徑為r，外極板半徑為R，當L>>R-r時，可忽略圓柱的邊緣效應。當2極板分別帶有電荷+q和-q時，電荷均勻的分布在兩極板的表面上，則圓柱每單位長度的所帶電荷量絕對值為λ（λ=q/L）。由于電容傳感器兩極板具有軸對稱性，那么兩極板間離圓柱軸線距離為s處的電場強度E為：
其中，為真空介電常數。
兩極板間的電勢差ΔU為：
則圓筒式傳感器的電容為：
當電容傳感器兩極間放入介電常數為的被測樣品時，其相對介電常數為：
極板電容值則變為：
由上式可以看出，當糧食內部的含水量變化時，其相對介電常數也會相應改變，從而導致電容傳感器的輸出電容值發生變化。因此，可以通過測量電容傳感器的電容值來得出被測糧食的含水率。這就是圓筒式電容傳感器測量糧食含水率的工作原理。
圓筒式電容傳感器在使用時一般需要垂直接入或嵌入到干燥機的糧食流道中[8]，其占用了較大的高度空間，不適用于低矮體積小的干燥機。此外，圓筒式電容傳感器內部的間斷啟閉采樣裝置常有堵塞或機械故障等問題的發生，需要工作人員停機給予維修。
2.2 平行極板式電容傳感器
平行極板式電容傳感器是由2塊相對的平行極板構成的，2塊平行極板中間的部分是糧食的采樣區域。
平行極板式電容傳感器的結構如圖2所示。
其極板的電容計算公式為：
式中，為真空介電常數，為被測物料的相對介電常數，A為電容極板的面積（），D為兩極板間的距離。
當2塊電容極板間充滿被測糧食時，其內部空間可以抽象成是由糧食的干質、糧食中的水分和糧食顆粒孔隙中的空氣3者所組成的。設3者的介電常數分別為、、。則此時電容傳感器的電容值C為[9]：
式中，，e為兩極間糧食的孔隙比，為糧食干質的容重，M為被測糧食的含水率。
上式給出了電容傳感器電容值與其影響因素之間的關系，只要確定了相關的影響因素，就可以用所測極板電容值來反應被測糧食的水分含量。
將平行極板式電容傳感器應用在糧食干燥裝置上進行在線測量糧食水分時，需要糧食從極板間流過，這樣會導致安裝十分困難。且為了提高傳感器的靈敏度，通常需要加大極板相對面積來實現傳感器的初始電容值的增加，因此，在用于對傳感器體積有特殊要求的場合時則受到了一定的限制。如果用減小傳感器極板間距的方法來保證靈敏度，則傳感器的量程又會受到直接限制[10]。
3 電容檢測技術的發展趨勢
目前，根據不同的水分檢測技術而生產出來的水分儀種類有很多，它們按市場的不同需求被應用在各種場合中。電容檢測技術作為眾多檢測方法之一，以其諸多優點被廣泛應用。研究人員也針對電容式傳感器的影響因素提出了很多解決方法。例如，將平行極板式電容傳感器的2塊極板置于同一平面上，成為了平板式電容傳感器，減小了安裝難度。給電容器加裝排糧輪來減小被測糧食緊實度變化對測量結果造成的影響等。但電容式水分傳感器領域仍有很大的研究空間。提高檢測精度和在線檢測的穩定性等難題，還需要研究人員深入探索加以解決。
參考文獻
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關鍵詞：手寫筆；電容式觸摸；有源
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.4.002
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。
結論
關鍵詞：電容傳感器；測厚儀；誤差
1 概述
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
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關鍵詞：MEMS壓力傳感器；惠斯頓電橋；硅薄膜應力杯；硅壓阻式壓力傳感器；硅電容式壓力傳感器
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2009.06.015
本文于2009年3月22日收到。顏重光：高工，上海市傳感技術學會理事，從事IC應用方案的設計策劃和客戶應用技術支持。
MEMS(微機電系統)是指集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統。
MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路(IC)設計技術和制造工藝，進行高精度、低成本的大批量生產，從而為消費電子和工業過程控制產品用低廉的成本大量使用MEMS傳感器打開方便之門。使壓力控制變得簡單易用和智能化。傳統的機械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形，由機械量彈性變形到電量轉換輸出，因此它不可能如MEMS壓力傳感器那樣做得像IC那么微小，成本也遠遠高于MEMS壓力傳感器。相對于傳統的機械量傳感器。MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過1cm，使性價比相對于傳統“機械”制造技術大幅度提高。
MEMS壓力傳感器原理
目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機電傳感器。
硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的。具有較高的測量精度、較低的功耗，極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應變片電橋的光刻版本如圖2。
MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應力杯硅薄膜內壁，采用MEMS技術直接將四個高，精密半導體應變片刻制在其表面應力最大處，組成惠斯頓測量電橋，作為力電變換測量電路，將壓力這個物理量直接變換成電量，其測量精度能達0.01％～0.03％FS。硅壓阻式壓力傳感器結構如圖3所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應力杯，其應力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個典型的絕壓壓力傳感器。應力硅薄膜與真空腔接觸這一面經光刻生成如圖2的電阻應變片電橋電路。當外面的壓力經引壓腔進入傳感器應力杯中，應力硅薄膜會因受外力作用而微微向上鼓起，發生彈性變形，四個電阻應變片因此而發生電阻變化，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，產生電橋輸出與壓力成正比的電壓信號。圖4是封裝如IC的硅壓阻式壓力傳感器實物照片。
電容式壓力傳感器利用MEMS技術在硅片上制造出橫隔柵狀。上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器，上橫隔柵受壓力作用向下位移。改變了上下二根橫隔柵的間距，也就改變了板間電容最的大小，即壓力=電容量(圖5)。電容式壓力傳感器宴物如圖6。
MEMS壓力傳感器的應用
MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子：如TPMS(輪胎壓力監測系統)、發動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統空氣壓力傳感器、汽車發動機進氣歧管壓力傳感器(TMAP)、柴油機共軌壓力傳感器；消費電子，如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器、洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業電子，如數字壓力表、數字流量表、工業配料稱重等。
典型的MEMS壓力傳感器管芯(die)結構和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應變片組成的惠斯頓電橋，右是管芯內部結構圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產各種壓力傳感器產品，如圖8所示。MEMs壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個封裝內(MCM)，使產品設計師很容易使用這個高度集成的產品設計最終產品。
MEMS壓力傳感器Die的設計、生產、銷售鏈
MEMS壓力傳感器Die的設計、生產、銷售鏈如圖9所示。目前IC的4英寸圓晶片生產線的大多數工藝可為MEMS生產所用；但需增加雙面光刻機、濕法腐蝕臺和鍵合機三項MEMS特有工藝設備。壓力傳感器產品生產廠商需要增加價格不菲的標準壓力檢測設備。
對于MEMS壓力傳感器生產廠家來說，開拓汽車電子、消費電子領域的銷售經驗和渠道是十分重要和急需的。特別是汽車電子對MEMS壓力傳感器的需要量近幾年激增，如捷伸電子的年需求量約為200～300萬個。
料位測量是物位測量中的一個分支。物位是指貯存容器或工業生產設備里的液體、粉粒狀固體、氣體之間的分界面位置，根據具體用途分為液位、料位和界位傳感器。
目前，我國主要是以原煤為發電燃料，大多數電廠鍋爐都采用煤粉向鍋爐供料。對于直吹式供料的鍋爐，煤倉料位高低關系到鍋爐乃至發電系統能否正常運行。煤倉料位過滿溢出，造成冒煤事故；煤倉料位過低或排空會造成燃燒不穩甚至滅火停機的大事故。對于中貯式供料的鍋爐，既有煤倉，又有粉倉，煤倉粉位的控制尤為重要。煤粉倉是燃料的中轉站，煤粉是用空氣傳輸的，高熱的氣體使煤粉進入煤倉中就有了一定的“基溫”，一般在70°C左右，其作用是使煤粉有一定的離散性。可是，這個溫度使煤粉中的水分快速蒸發并被吸潮管排出倉外，煤粉將越來越干燥，這種煤粉是極易集熱，集熱的最終結果是燃燒。燃燒加劇周圍乃至倉內的集熱，周而復始，惡性循環，這樣如不能及時的有效控制，其結局將是白白燒掉大量煤粉。據有關資料報道，自燃煤粉約占發電總用煤量的0.5%左右。另外，煤倉煤粉爆炸的損失更大，多年來，煤倉煤粉爆炸事故常有發生，給火電廠造成巨大損失。目前，最經濟、最適用的方法是通過可靠的料位傳感器對煤倉的煤位和粉位進行監控，使其始終處于最佳中轉適控狀態，這是火力發電機組安全運行的首要保證。
二、原理及特點
火電廠目前采用的料位傳感器主要有重錘式、核輻射式、超聲波式和電容式。
1．重錘式料位傳感器
重錘式料位傳感器由伺服電動機、懸有重錘的鋼絲繩、料位發信裝置以及帶微機的顯示儀表所組成。起動后，微機發出降錘信號，伺服電動機轉動放下重錘，當重錘碰到料面后，發信器發出信號給微機，使重錘停止下降并發出升錘信號，伺服電動機反轉使重錘上升，并發出料位信號值給顯示儀表。重錘升至倉頂后電動機停轉，經過一段延時后再重復上述動作。顯示儀表上還有料位上、下限報警發信等裝置。重錘式料位傳感器可解決一定量程范圍內的測量問題，典型的測量范圍可達60m，而且這種測量與蒸汽、灰塵無關，具有較高的測量精度。
2．核輻射式料位傳感器
放射源Co-60（半衰期5.26年）和Cs-137（半衰期32.2年）發射的g射線能夠穿透容器壁和容器內的物料。在貯倉下側裝有g射線接收器，隨著料面高度的變化，g射線穿過料層后的強度也不同，接收器檢測出射入的g射線強度并通過顯示儀表顯示出料位高度。
這是一種非接觸式測量法，無需在容器上穿孔而損壞容器，所以適用于危險物品以及高溫高壓等惡劣環境下的測量。g射線對人體固然存在有害作用，但對于有限劑量，在妥善防護下并無危險。
3．超聲波式料位傳感器
在貯倉頂部對著料面裝有超聲波發生器和接收器。發生器發出的超聲波經空氣層射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超聲波發射至接收所經歷的時間乘以聲速就可計算出料位高度。由于空氣溫度的高低會影響聲波的傳播速度，所以還需測量空氣溫度以修正聲速。超聲波式料位傳感器適合于測量粒度較大的塊料料位。
4．電容式料位傳感器
電容式料位傳感器是采用測量容器的探頭與容器內壁之間、兩探頭之間或探頭與同心測量管之間的電容，利用物料介電常數恒定時極間電容正比于料位的原理進行工作的。
電容式料位傳感器的特點是無可動部件，與物料密度無關，但要求物料的介電常數與空氣介電常數差別大，變化的介電常數在進行連續測量時要加以補償，且需用高頻電路。
超聲波式和核輻射式料位傳感器多為國外引進產品，如美國凱瑞（Kay-Ray）公司和馬格尼特（Magnitrol）公司的超聲波式料位計，精度可達0.25級；德國E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲區是0.7m，此范圍以內不能使用，最遠距離受聲功率限制，只能測40m內的料位；德國E+H公司的QG型為核輻射式料位傳感器，發射源的Co-60或Cs-137封裝在灌鉛的鋼保護罩內，此罩設有可開閉的窗口，不用時關閉，以免輻射危害。接收器是管狀結構，長100～1500mm，它安裝在與發射源相對應的位置，若g射線發散角、距離和接收器三者相互配合，在整個量程范圍內都能有效地檢測。
三、應用
沈陽電力高等專科學校自動控制研究所研制了重錘式料位傳感器，并把它應用在670T/h鍋爐煤粉倉的料位測量上。
（一）構成原理
該重錘式料位傳感器的型號為SE-2，也稱智能料位儀，它主要由探測器和控制器組成。探測器由開關磁阻電動機、傳動機構和重錘也稱探頭）組成，由重錘行程反映料位高度。控制器由單片機（8098）、顯示器、功率變換器和面板組成。面板采用PVC貼膜，具有數碼管顯示器、觸摸按鍵和指示燈。用軟件控制探測器中重錘的升降過程。
重錘固定在開關磁阻電機的鋼絲繩上，依靠自身重力隨繞線輪垂直下降某一單位高度，以提升電流的大小判斷重錘是否接觸到煤粉表面。若提升電流很小，說明重錘已接觸到煤粉，這時發出脈沖信號，電機反轉至初始位置，使重錘提升至倉頂復位，防止重錘被煤、粉淹埋。若煤或粉很少時，重錘繼續下降，分段采集信號，直到觸及到煤或粉位，或重錘下降到煤、粉位極限位置，再將重錘提到復位位置并報警，限位開關閉合，電機斷電，一次檢測結束，等待下一次檢測指令。
以單片機（8098）為主控單元的二次儀表接收光電開關輸送的磁阻電動機轉數信號，經數據處理后進行料位的數字顯示。
（二）特性
SE-2重錘式料位傳感器的主要特性如下：
①可在加料過程中自動連續運行，不受物料的塌落埋壓及沖擊等影響；
②其結構可靠性高，適應溫度高、灰塵大和煙霧濃的惡劣環境；
③具有手動隨時檢測和自動定時檢測兩種功能；
④具備上、下限值報警功能和循環顯示多點料位高度功能；
⑤有可恢復性故障的恢復處理功能，不可恢復故障的重錘復位及故障信號的顯示報警；
⑥對不可恢復的重錘故障，可以用強制提升和下放重錘的功能來處理；
⑦操作簡便，使用安全，測量精度高。
超聲波式料位傳感器適合于測量粒度較大的塊料料位。
4．電容式料位傳感器
電容式料位傳感器是采用測量容器的探頭與容器內壁之間、兩探頭之間或探頭與同心測量管之間的電容，利用物料介電常數恒定時極間電容正比于料位的原理進行工作的。
電容式料位傳感器的特點是無可動部件，與物料密度無關，但要求物料的介電常數與空氣介電常數差別大，變化的介電常數在進行連續測量時要加以補償，且需用高頻電路。
超聲波式和核輻射式料位傳感器多為國外引進產品，如美國凱瑞（Kay-Ray）公司和馬格尼特（Magnitrol）公司的超聲波式料位計，精度可達0.25級；德國E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲區是0.7m，此范圍以內不能使用，最遠距離受聲功率限制，只能測40m內的料位；德國E+H公司的QG型為核輻射式料位傳感器，發射源的Co-60或Cs-137封裝在灌鉛的鋼保護罩內，此罩設有可開閉的窗口，不用時關閉，以免輻射危害。接收器是管狀結構，長100～1500mm，它安裝在與發射源相對應的位置，若g射線發散角、距離和接收器三者相互配合，在整個量程范圍內都能有效地檢測。
三、應用
沈陽電力高等專科學校自動控制研究所研制了重錘式料位傳感器，并把它應用在670T/h鍋爐煤粉倉的料位測量上。
（一）構成原理
該重錘式料位傳感器的型號為SE-2，也稱智能料位儀，它主要由探測器和控制器組成。探測器由開關磁阻電動機、傳動機構和重錘也稱探頭）組成，由重錘行程反映料位高度。控制器由單片機（8098）、顯示器、功率變換器和面板組成。面板采用PVC貼膜，具有數碼管顯示器、觸摸按鍵和指示燈。用軟件控制探測器中重錘的升降過程。
重錘固定在開關磁阻電機的鋼絲繩上，依靠自身重力隨繞線輪垂直下降某一單位高度，以提升電流的大小判斷重錘是否接觸到煤粉表面。若提升電流很小，說明重錘已接觸到煤粉，這時發出脈沖信號，電機反轉至初始位置，使重錘提升至倉頂復位，防止重錘被煤、粉淹埋。若煤或粉很少時，重錘繼續下降，分段采集信號，直到觸及到煤或粉位，或重錘下降到煤、粉位極限位置，再將重錘提到復位位置并報警，限位開關閉合，電機斷電，一次檢測結束，等待下一次檢測指令。
以單片機（8098）為主控單元的二次儀表接收光電開關輸送的磁阻電動機轉數信號，經數據處理后進行料位的數字顯示。
（二）特性
SE-2重錘式料位傳感器的主要特性如下：
①可在加料過程中自動連續運行，不受物料的塌落埋壓及沖擊等影響；
②其結構可靠性高，適應溫度高、灰塵大和煙霧濃的惡劣環境；
③具有手動隨時檢測和自動定時檢測兩種功能；
④具備上、下限值報警功能和循環顯示多點料位高度功能；
⑤有可恢復性故障的恢復處理功能，不可恢復故障的重錘復位及故障信號的顯示報警；
關鍵詞 運動粘度；毛細管；自動測量；單片機
中圖分類號TP216 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）57-0174-02
油品運動粘度測量技術在生產過程中占有十分重要的位置，其測量方法大體分為手動和自動兩種測量方法。手動測量步驟繁瑣且測量精度低；而目前自動測量技術大都電路復雜且設備制作成本高。本文所論述的全自動油品運動粘度測量裝置是在傳統的毛細管測量技術基礎上設計的，產品電路設計簡單，測量精度較高，首先介紹下全自動油品運動粘度測量裝置的構成及測量過程。
1 全自動油品運動粘度測量裝置構成及測量過程
1.1 測量基本原理
本文設計的測量裝置，采用毛細管作為測量元件，其工作原理是基于伯塞爾方程進行測量的。其中運動粘度，其中c是粘度系數（mm2/s2）；t是試樣的平均流動時間（s）；vt是運動粘度（mm2/s），粘度系數c是常量，測量時只需要測量出樣品流經測量球的時間t值，然后依據公式便可以方便地計算出運動粘度值[1]的。
1.2 全自動油品運動粘度測量裝置
全自動油品運動粘度測量裝置主要由樣品測量管路系統；樣品位置檢測電路；鍵盤、顯示控制電路；油浴溫度控制系統和電源等組成。裝置的主要特點是粘度測量范圍寬（0.5mm2/s~5 000mm2/s)/40℃；（0.5mm2/s~2 000mm2/s）/100℃，測量精度高（0.001），適用于透明、半透明與不透明油品運動粘度的測量，該裝置還具有自動清洗和自動干燥處理功能。
1.3 樣品測量管路系統構成及測量過程
樣品測量管路系統[2]是待測樣品注入、測量及排出的管路系統，包括：玻璃管測量球1個；二位三通電磁閥10個；樣品流通導管若干米；泄氣閥1個；真空瓶1個；真空泵1個；有機溶劑清洗液兩瓶等，該測量管路系統的主要功能是完成樣品采集、樣品檢測、管路清洗和干燥等項工作，這些工作都是在微控制器的控制下自動完成的，下面介紹油品測量管路系統的工作過程。
1.3.1 自動采樣過程
自動測量[3]操作的第一步是采樣，采樣管路如圖1所示，首先將電磁閥6接到1位置，閥4接到1位置，閥二接到1位置，閥一接到1位置。保證采樣管路暢通。并將微量排氣閥稍微打開點，起到減壓作用。然后通過控制器啟動真空泵，將樣品吸到測量球毛細管1中。接著微控制器監測測量球C點狀態，當樣品到達C點時，微控制器發出指令停真空泵。
1.3.2 自動控制停泵
當被測樣品油到達C點時，真空泵停止工作，同時控制電磁閥4接到2位置，電磁閥2接到2處，電磁閥3接到2處，目的使三支測量球中的樣品依靠重力下降，為獲得測量時間t做準備。
1.3.3 運動粘度時間t值的自動測量
待測樣品在毛細管1中下降時，微控制器監測A點，到達時，微控制器啟動計時器計時，當樣品到達B點時，微控制器停止計時。這是的計時時間為t1，然后通過微控制器保存t1的值。然后利用測量球中的樣品進行第二次、第三次測量時間t2、t3值。重復三次得到三個時間值，即t1、t2、t3。然后求取其平均值，再將平均值與t1、t2、t3比較，依據公式算出相對誤差，將該誤差值與設定值誤差相比較，去掉誤差最大的時間t'值，取余下的兩個時間，再取這兩個時間值的平均值，該值便是最后的測量時間，然后依據公式計算運動粘度的大小。
1.3.4 測量管路的自動排空過程
經過三次自動測量，獲得測量時間值，得到了運動粘度vt值。然后，需要排出管路及測量球中的被測樣品，對管路進行自動清洗和干燥，以保證下次測量時被測樣品的純凈度。
2 硬件電路設計
硬件電路部分主要包括：傳感器及其轉換電路，C8051單片機電路等。被測樣品液面檢測傳感器及其轉換電路是將樣品液面的信號檢測出來，通過轉換電路轉換為開關量信號送給微控制器。
液面檢測傳感器及其轉換電路：
液面檢測傳感器及其轉換電路主要包括：三組電容式傳感器[4]、變壓器反饋式振蕩器、選頻放大器和電壓比較器組成。電容式傳感器有兩個極板，安裝時將兩個極板分別放置在毛細管外部兩側，共有三組電容式傳感器分別放置在測量球A、B、C三點處，如圖1-1所示。當被測介質在測量球中上升穿過電容器兩極板時，會引起電容式傳感器介電常數ε發生變化，即ε值增加；反之，當介質液面下降時，介電常數ε值會減少。依據公式計算Cx值，因此檢測樣品液面的位置就轉換成檢測電容器Cx值的變化量。將Cx與電感線圈組成振蕩電路來測量Cx值的大小。
3 實驗數據分析與處理
全自動運動粘度測量裝置與手動測量裝置在結構上有很大不同，且測量精度高，下面看下實驗數據對比。
3.1 恒溫時間的確定
全自動油品運動粘度裝置取樣數量取決于油品運動粘度的大小，粘度越大量就越小，采樣時間就越短些。取樣數量的不同將影響油品在浴中的恒溫時間，所以對全自動油品運動粘度測量裝置測定不同溫度下油品的恒溫時間與國際標準中規定的恒溫時間進行了比較，以便找出合適的自動粘度的操作條件，這里將手動粘度儀與全自動運動粘度自動測量裝置的恒溫時間作下比較，通過實驗結果分析，全自動運動粘度自動測量裝置在測定20℃運動粘度時，恒溫時間在4min以上。
3.2 手動測量和全自動運動粘度自動測量裝置測量結果比較
選取具有代表性的不同粘度范圍的幾種油品分別用兩種儀器進行測定，測定結果如表1所示。
由表1可以看出，兩種粘度儀測定結果的差值符合GB/T265-88規定的再現性要求，大部分測試結果也符合重復性的要求。
總之， 文章采用毛細管測量運動粘度的基礎上，利用電容式傳感器及其轉換電路檢測液面的位置，輸出開關量電信號，利用C8051單片機完成計時和數據處理等工作，利用鍵盤復位，并且針對每一種功能進行測試，達到了設計的要求。全自動油品運動粘度測量裝置比國外同類產品降低了設計成本，對國內油品運動粘度測量技術的發展起到積極的推動作用。
參考文獻
[1]GB/T 265-88,石油產品運動粘度測定法和動力粘度計算法[S].
[2]陳剛，朱震剛，水嘉鵬.利用強迫震動擺方法測量液體粘度系數的原理[J].物理學報，1999(3)：421-424.
【關鍵詞】 溫濕度傳感器 原理 故障 維護 記錄處理
溫濕度傳感器是一種能連續測量溫度和濕度變化的遙感儀器，在日常測報工作中，是容易出現故障的儀器之一。為滿足對觀測記錄“代表性、準確性、比較性”的要求，提高觀測數據的質量和可用性，有必要對溫室傳感器的維護進行研究。
1 溫濕傳感器的工作原理
芬蘭Vaisala公司生產的HMP45D溫濕度傳感器是目前我國氣象部門地面氣象觀測網內自動氣象站上統一使用的測量氣溫和相對濕度的傳感器。該傳感器采用鉑電阻感應元件（Pt100）測氣溫，是無源的電阻輸出；采用電容式薄膜聚合物感應元件直接測相對濕度，是有源的0-1V電壓輸出。溫度和濕度感應元件裝在傳感器頭部帶有濾膜的保護罩內。
（1）溫室傳感器一般安裝在觀測場內（室外），是可同時測量空氣溫度和濕度的遙感儀器。本站使用的為HMP45D的溫濕度傳感器，其鉑電阻溫度傳感器是一個用光刻工藝制作的微形鉑電阻，利用鉑電阻正比于溫度的變化的原理，通過測量鉑電阻值而測得溫度值。
（2）電容式薄膜聚合物濕度傳感器是利用薄膜聚合物材料吸濕后介電特性發生變化的原理來測量相對濕度的。其是以薄膜聚合物為介質，用真空表面噴射鍍膜工藝在其上制作能透過水分子的表面膜電極并做成一個微形薄膜電容器。該電容器的電容量隨薄膜聚合物介質吸附水分子的多少（取決于環境濕度的大小）而變化，再用測量電路將電容量的變化轉換成輸出電壓（或電流）的變化，即通過測量輸出電壓（或電流）測得相對濕度。
傳感器的供電電壓一般為7-35VDC。感應部件位于頭部，外有一層濾膜保護。測溫部分為標準4線制鉑電阻測溫并能滿足PT385測溫標準，測濕部分為濕敏電容濕度傳感器，輸出信號為0-1V，對應濕度為0-100%。
2 常見的故障及維護
2.1 空氣溫度超差或異常
原因分析：（1）線路松動或斷開，（2）傳感器壞，（3）因雷擊，防雷板1-4通道損壞，（4）采集器內1-4通道損壞。
解決方法：
（1）檢查溫室傳感器各連接線處是否牢固，是否有斷路現象，可用萬用表蜂鳴檔進行測量，如線路有故障，可更換線路。
（2）傳感器是否損壞，可用測量法（用萬用表測量，并通過公式計算得出）、對比法（將傳感器與溫度表置于同一環境中進行對比觀測）進行判斷，最直接的方法是替代法，即將一只新的傳感器接入采集器，如數據正常，可判斷該傳感器出現故障。采用替代法，也同時可判斷出該傳感器的各線路是沒有故障的。
（3）將防雷板上氣溫通道與地溫通道進行對調，看對比結果，判斷防雷板上氣溫通道和采集器上的氣溫通道是否有故障。
2.2 空氣溫度缺測或者示值為-24.6度，長時間不變
此故障一般為溫度傳感器斷線或防雷板上氣溫接線接觸不良所致，可用測量法進行判斷故障位置，進行修復。
2.3 相對濕度持續為100%或缺測
原因分析：（1）線路接觸不良或斷開；（2）傳感器壞；（3）長時間高濕天氣，傳感器反應遲鈍；（4）過濾罩被塵埃污染。
解決方法：
（1）用萬用表進行測量，判斷故障位置進行修復。
（2）更換傳感器。
（3）利用電吹風，降低傳感器濕度并穩定后，再重置百葉箱。
（4）清潔過濾罩或更換過濾罩。
（5）自動站和人工觀測的值進行對比。
3 溫濕度傳感器的日常維護
（1）保持百葉箱內通風良好，定期清掃灰塵；在清潔維護時，應選擇陰天等適宜的天氣，以免造成采集數據的異常。
（2）防止溫室傳感器頭部保護濾膜罩被灰塵污染，如發現異常應及時拆開傳感器頭部的網罩用毛刷等對其進行清潔，或及時更換過濾罩。
（3）定期檢查傳感器的各連線處是否松動，螺釘要緊固，保證接觸良好。
此外，每日20時應將自動站的溫濕度和人工觀測值進行對比，若兩者比較，溫度的差值在1.0度以內，濕度相差在10%（根據各省規定）以內時，可視自動站傳感器正常，若比較后，溫度超過1.0度，濕度超過10%，則視為溫濕度超差，應及時進行維護。
參考文獻：
[1]中國氣象局.地面氣象觀測規范[S].北京：氣象出版社，2003.
水位測量首先要確認測量的目的，是實時監測水位的高度還是在某一位置報警，以確定是選擇開關量還是連續量傳感器，最簡單的有水位探針。
1、電容式。
電容式水位開關原理：是采用偵測水位變化時所引起的微小電容量差值變化，由專用的ADA電容檢測芯片進行信號處理，可以輸出多種信號通訊協議。
2、電子式。
電子式水位開關原理：通過內置電子探頭對水位進行檢測，再由芯片對檢測到的信號進行處理，當判斷到有水時，芯片輸出高電平24V或5V等，當判斷到無水時，芯片輸出0V。
3、電極式。
電極式水位開關原理：電極式水位開關由一次電極式傳感器和二次控制器組成一體式測量系統，液位開關安裝在容器的頂部或容器的壁上，電極插入液體。
4、光電式。
光電式液位開關原理：它使用紅外線探測，利用光線的折射及反射原理，光線在兩種不同介質的分界面將產生反射或折射現象。
（來源：文章屋網 ）
1設計思想
隨著科學技術的發展，傳感器的應用越來越普及，在我們的身邊大量地使用著各種各樣的傳感器，但是很多學生會覺得傳感器很神秘，是遙不可及的高科技產品。筆者希望能將學生實驗和教師演示實驗結合起來，通過對實驗的觀察、思考和探究，了解什么是傳感器，傳感器是如何將非電學量轉換成電學量的，傳感器在生產、生活中有哪些具體應用，為學生利用傳感器制作簡單的自控裝置作鋪墊。
在教學內容的設計方面，注重知識問題化，問題層次化，讓不同層次的學生都有思考與討論、交流與合作的空間；關注學生對知識形成過程的理解，讓學生親歷思考和探究的過程，領悟科學探究的方法。
2教材分析
本節課介紹傳感器的概念和一些制造傳感器所使用的敏感元件，使學生對傳感器的知識有一個初步的了解，體會物理知識在生活中的應用。為傳感器的應用和利用傳感器制作簡單的自控裝置作鋪墊。
3學情分析
學生在物理學習中，一般會做大量的習題，有較強的解題能力。但是，當遇到具體的實際問題和一些簡單的有科技含量的產品時，卻常常不會分析和處理。教材中即使安排了數量有限的物理實驗和有關高新技術發展的閱讀材料，在實際教學中往往也難以落實。因為學生對傳感器了解較少，所以教學時應避深奧的理論，消除傳感器的神秘感。學生之所以會“怕”，就是因為不熟悉，接觸多了，問題就很容易解決了。在教學中多舉些例子并多做實驗，讓學生感受傳感器的巨大作用，進而提高學生的學習興趣，培養學生熱愛科學的情感和崇尚科學的精神。
4教學目標
4.1知識和技能
（1）了解什么是傳感器，知道非電學量轉化為電學量的技術意義。
（2）知道常見的傳感器的類型。
（3）了解兩種常見的敏感元件光敏電阻、熱敏電阻及其工作原理。
4.2過程和方法
學生在了解傳感器、熟悉傳感器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。
4.3情感態度價值觀
（1）體會傳感器在生活、生產、科技領域中的種種益處，激發學生的學習興趣，拓展學生的視野。
（2）通過動手實驗，培養學生實事求是的科學態度、團隊合作精神和創新意識。
5教學重難點
（1）重點：理解并掌握傳感器的3種常見敏感元件的工作原理。
（2）難點：分析并設計傳感器的應用電路。
6教學儀器
音樂茶杯、光敏電阻、熱敏電阻、光敏電阻演示儀、開關、導線、多用電表、手電筒、小燈泡、干簧管、磁鐵等。
7教學方法
實驗法、探究法、討論法等。
8教學過程
8.1引入課題
上課前，先讓學生觀看一段機器人大賽的視頻，機器人在自動搜尋火源。
看完這個視頻，學生心中都有一個問題：機器人是如何自動找到火源的呢？進而引入課題。
8.2新課教學
師：“在大家看來傳感器非常神秘，其實傳感器對我們而言再熟悉不過了，因為我們人體本身就是傳感器。”
人類制造的傳感器，就像人的感覺器官一樣，也可以感覺到外界的信息，然后把它轉化為生物電信號。其實傳感器的工作原理就是一感、二傳。它可以感受到外界的非電學量，然后把它轉為電學量。
（1）問題1：傳感器的定義是什么呢？
傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，并能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷。
師：在我們的生活中，傳感器的應用其實非常廣泛，請大家看如圖1所示的圖片。這些物體中有哪些是你們認識的？
生：圖片1是攝像頭，可以將圖像畫面轉化為電信號。
生：圖片5是火災報警器，發生火災的時候可以發出報警聲。
生：圖2是一個測溫儀，它不需要和人體接觸，就能測出體溫。
生：圖6是電子秤，可以稱量物品的重量。
師：同學們說得都很好，上面圖片中的這些物體都應用了傳感器的原理。圖片1和5是光電傳感器的應用，圖片2是溫度傳感器的應用，圖片3是聲音傳感器的應用，圖片4是電容傳感器的應用，圖片6是力傳感器的應用。
演示實驗1：教師出示一只音樂茶杯，茶杯平放于桌上時，無聲無息，提起茶杯便播放悅耳的音樂。
（2）問題2：音樂茶杯的工作開關又在哪里？開啟的條件是什么？
學生猜測：在茶杯底部，所受壓力發生改變。
實驗探究：提起茶杯，用手壓杯的底部，音樂并沒有停止。
學生猜測：是由于光照強度的改變。
實驗探究：用一個紙盒擋住底部（不與底部接觸），音樂停止，可見音樂茶杯受光照強度的控制。這是因為在音樂茶杯的底部有一個光敏電阻。
（3）問題3：光敏電阻能夠將什么量轉化為什么量？
生：光敏電阻能夠將光學量轉化為電阻等電學量。
學生實驗：
①實驗目的：設計一個電路，使得小燈泡的亮度隨手電筒的光照強度發生變化；
②實驗器材：干電池(4節)、小燈泡、光敏電阻、手電筒、導線等。
師：同學們剛才設計的其實是一個光電報警電路，當光敏電阻所受光強發生變化時，小燈泡就會發光報警。接下來我來演示一下如圖2所示的光電報警電路。
演示實驗 ：展示光電報警電路。
（4）問題4：請同學們來解釋一下這個光電報警電路的工作原理？
生：當光敏電阻受到光照時，阻值減小，通過電磁繼電器的電流增大，電磁繼電器具有了磁性，將繼電器上方的銜鐵吸引下來。使得接觸點由a、b接觸變為b、c接觸，從而將1、2接線柱的電路接通，蜂鳴器發出了鳴叫。
師：因為光敏電阻的阻值隨光強發生改變，我們常用光敏電阻做光電傳感器的敏感元件。那么溫度傳感器的敏感元件是什么呢？接下來，我們來介紹熱敏電阻。
（5）問題5：熱敏電阻的阻值與溫度變化有什么關系？
生：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小。
（6）問題6：熱敏電阻能夠將什么量轉化為什么量？
生：熱敏電阻能夠將溫度轉化為電阻這個電學量。
經過進一步研究發現，熱敏電阻的阻值隨溫度的變化遵循如圖3所示的變化規律。
在電學部分學習過小燈泡的歐姆定律，我們知道小燈泡的阻值隨溫度的增大而增大。小燈泡的燈絲是由鎢絲制成的，經研究發現，金屬材料的阻值都隨溫度的升高而增大，有一一對應的關系，因而可以用來制作溫度計，把它稱為金屬熱電阻。
（7）問題7：熱敏電阻和金屬熱電阻有何異同？
生：熱敏電阻和金屬熱電阻的阻值都隨溫度發生變化。但是熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，金屬熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大。而且在一定范圍內，熱敏電阻隨溫度的變化比較靈敏。
（8）問題8：電容式位移傳感器（見圖4）能夠將什么量轉為什么量？
生:電容式位移傳感器能夠將位移這個力學量轉化為電容這個電學量。
師：當被測物體的位移發生改變時，電容器極板間的電介質發生改變，從而改變電容器的電容值。我們知道影響電容的因素除了電介質還有板間距d，以及正對面積S。下面介紹幾類電容器傳感器的應用實例，如圖5~9所示。
當電容器的動片轉動時，電容器的正對面積發生改變，從而改變了電容的值。將它制成傳感器，就可以將轉過的角度這個非電學量轉化為電容這個電學量。
圖6改變正對面積2
當導電液體的深度發生改變時，電容器的正對面積發生改變。如果將它制成傳感器就可以將液體深度這個非電學量轉化為電容這個電學量。
當施加在可動電極上的力發生改變時，電容器間的距離發生改變，從而改變了電容的值。如果將它制成傳感器就可以將力這個非電學量轉化為電容這個電學量。
聲波使得電容器的金屬薄膜發生振動，電容器間的距離發生改變，從而改變了電容值。如果將它制成傳感器就可以力這個非電學量轉化為電容這個電學量。
現在的觸摸式手機大多數都使用了電容屏，當按鍵的上的壓力發生改變時，電容器間的距離發生改變，從而改變了電容值。如果將它制成傳感器就可以力這個非電學量轉化為電容這個電學量。
師：最后，我們再來看這樣的一個盒子，這個盒子的內部結構我們不清楚，但是在盒子的旁邊有一個小孔，小孔處露出一個燈泡。當我把一個磁鐵靠近盒子時，燈泡發光了。誰能解釋一下這是什么原因呢？
生：我覺得里面有一個磁性開關，當磁鐵靠近開關時，開關就閉合了。
生：我覺得里面有一個線圈，當磁鐵靠近時，產生了感應電流，所以燈泡就發光了。
生：我覺得里面有一個對磁敏感的元件，當磁鐵靠近時，它的某個量發生改變，從而燈泡發光了。
師：同學們剛才講的都非常的好，這個盒子里面的確有一個對磁敏感的元件，它叫做干簧管，如
圖10干簧管
當磁體靠近干簧管時，兩個簧片被磁化，相互吸引而接通，干簧管能起到控制開關的作用。
（9）問題9：干簧管能夠將什么量轉化為什么量？
生：干簧管能夠將磁感應強度這個磁學量轉化為電路的通斷。
師：我們今天學習了傳感器的概念，常見的傳感器的類型，以及常見的敏感元件的工作原理。同學們思考一下家庭中有哪些物體應用了傳感的原理。
8.3教學反思
指紋識別技術是利用人體指紋的唯一性與穩定性特點，通過光電技術、模式識別和計算機圖像處理技術，對活體指紋進行采集、分析和比對，從而自動、迅速、準確地鑒別出個人信息。隨著互聯網、移動支付的發展，以指紋識別為代表的多種生物識別技術成為網絡時代鑒別身份的重要手段。
一套完整的指紋識別產品或方案包含三個必要元素：指紋傳感器、指紋算法處理芯片和指紋算法軟件。從上世紀80年代至今，指紋識別關鍵技術已經發展得相當成熟。在圖像采集方面，已經形成光學、半導體、超聲波等多種性能良好的主流傳感器；在指紋算法方面，指紋算法根據應用需求不斷優化，可實現純特征點比對、特征點加圖片比對和純圖像比對等多種比對方式，并在拒登率、拒真率、認假率等關鍵指標上得到很大提高。目前，指紋識別技術已在考勤、門禁、移動支付等行業取得良好的應用效果。
作為國內領先的信息安全芯片提供商，大唐電信旗下大唐微電子技術有限公司（以下簡稱：大唐微電子）運用其自身在IC設計方面的技術和經驗，率先將國密算法和芯片安全防護技術應用于指紋識別領域，相繼推出多款指紋算法芯片、指紋傳感器及一體化解決方案。
大唐微電子指紋算法芯片（DMT-FAC-CG4Q）采用32位CPU內核，主頻達100MHz以上，配置512KB Flash，144KB SRAM，集成了國際加密算法和國密安全算法，支持多種接口；運用多種芯片安全技術，芯片安全級別達到EAL4+、銀聯芯片安全認證、國密二級、FIPS認證等金融級安全要求。大唐微電子指紋傳感器包括小面陣、大面陣、手機專用小面陣、滑動式和光學多種傳感器類型，無論面對干、濕手指，均具有快速、精準識別的特性。
目前，大唐微電子的指紋識別芯片已成功在指紋儀、指紋盾、指紋Key等行業安全產品中商用。
手機終端領域
指紋識別在手機上的應用已經十分普及，指紋識別正逐步發展成手機的標配。2015年，中國指紋識別市場傳感器銷量超過7000萬顆，其中超過6000萬顆應用在手機上。預計2016年中國智能手機市場應用的指紋識別傳感器數量將突破1.2億顆。
智能手機上的指紋應用大部分采用TEE方案，即將指紋比對算法和應用加載到基帶芯片中，由模組廠商對傳感器進行封裝、coating或者蓋板，再提供給手機終端廠商。智能手機對傳感器的需求不同于其他行業：尺寸上相對較小，一般在160×160pixels或更小；識別速度要求更高，解鎖時間在200ms以內。大唐微電子小面陣電容式傳感器（DMT-FS-PB4Fs）分辨率508DPI，像素64×114pixels，采集面積6×6mm，滿足當下智能手機的應用需求。
金融領域
金融領域安全性要求較高，指紋識別應用也相對成熟。銀行的機密資料保險柜、金庫門禁、柜員業務授權和客戶身份的核驗基本上都采用了指紋鎖、指紋門禁、指紋儀等設備。
USB Key作為使用量很大的網銀交易安全工具，存在著密碼泄露的安全隱患，指紋Key可以解決這些問題。但由于電容式指紋傳感器的價格較高，指紋Key并沒有在銀行得到大規模使用。現階段指紋Key主要在政府、軍隊等保密機構使用。
金融IC卡在現實生活中遇到過多種安全問題，只要密碼泄露，卡就有可能被人盜取盜刷，將指紋功能加入到金融IC卡中，實現人和卡的綁定，卡的功能必須在被指紋授權后才能開啟，從而保障卡在遺失或者密碼泄露情況下不被盜取盜刷。
此外，指紋POS機，VTM自助辦理終端也是指紋識別在金融領域的主要應用。
二代身份證核驗終端
公安部從2012年開始制定二代身份證指紋采集標準，同時出臺身份證的辦理、補換證采集指紋的規定，如今帶有指紋信息的身份證已接近3億張。近期，公安部公布了居民身份證指紋應用算法提供商，預示著指紋識別身份證將正式落地執行。二代身份證指紋核驗，即是通過指紋核驗實現人證合一，將在酒店入住、火車機場、出入境、教育考試、社保領取等需要實名核驗的場所應用。
大唐微電子已開發出完整的二代身份證指紋核驗解決方案，方案由軟件和硬件兩部分組成：硬件方面包括自主研發的射頻讀卡芯片DMT-CTSS-CL20、指紋算法處理芯片DMT-FAC-CG4Q及208×288pixels電容式傳感器DMT-FS-PB4F；軟件方面主要是指紋比對算法，目前，大唐微電子正積極和入圍的廠商合作。
其他領域
指紋識別技術在門鎖箱包領域的應用較早，早期主要使用光學傳感器，現在開始向電容式傳感器切換。隨著智能家居、智能社區的概念不斷深入，指紋識別技術已逐漸在社區停車場、出入管理、物業繳費等多項系統中使用。
關鍵詞：壓力，差壓式, 精度，電容式。
中圖分類號:TQ011 文獻標識碼：A
合成氨生產中氨分離器和冷凝塔的液位檢測和自動控制，關系到生產的安全和穩定。液位過高，容易帶液到合成塔，輕者引起合成塔觸媒中毒，使觸媒失去活性，嚴重地將損壞觸媒。而液位過低，高壓氣體容易竄入低壓系統，引起設備超壓，造成惡性事故。可見，對氨分離器與冷凝塔的液位檢測就顯得尤為重要。以下就以我們廠的老合成塔的的氨分離器液位和冷凝塔液位測量設備來說，2013年以前采用高靜壓差壓變送器液位計，以及改造后采用均電容式變送器液位計為案例分析。
高靜壓差壓變送器液位計介紹
高靜壓差壓變送器液位計屬于成熟的通用性很好的儀表，利用容器內的液位改變時，由液柱體產生的靜壓也相應的變化的原理。由于氨分、冷凝塔并不是簡單的容器，工作壓力高達32Mpa，都裝有不同結構的內件，氣相、液相取樣口如何處理才能真實反映氣液分離兩側壓力，同時液相引出口也容易堵塞的問題。為了改變這種現象，除使用高靜壓差EJA變送器外，我們還在變送器與氣液相根部之間安裝了高壓均衡筒。均衡筒的高度等同于氣、 液相之間的距離。實際上浮筒內的液位就是我們要測液位的高度，即我們需要測量液位的量程，為什么要安裝此均衡筒？因為我們所測的設備內液體的壓力很高，大約在30Mpa左右，如果沒有均衡器，設備內的臟東西，如油水、觸媒粉等就會直接進入變送器，造成堵塞和破壞。因為變送器膜盒小有死角，堵塞物不容易排凈，從而使儀表指示不準和膜盒易爛。再有在開停表的時候容易造成變送器單邊受壓，長此下去，膜盒也會容易壞，同時因導壓管直接與高壓設備相接對儀表的日常維護和安全有很多不便和不安全。均壓筒裝上后，油水、觸媒粉沉積在均壓筒內，出現問題時，可直接排均壓筒，裝均壓筒壓力平衡后，對變送器沒有損壞也不會造成變送器單邊受壓。有效保證了變送器的使用周期和儀表工的安全帶來很大保障。加上匹配的變送器，而智能式變送器具有自動補償能力，可通過軟件對傳感器的非線性、溫漂、時漂等進行自動補償，可自診斷，通電后可對傳感器進行自檢，以檢查傳感器各部分是否正常，并作出判斷。
2電容式變送器液位計介紹
氨分離器液位和冷凝塔液位測量計雖然采用了高壓均衡器，減少導壓管堵塞次數，但是由于高壓，油水，觸媒粉等因素，還是會有堵塞，而且均衡器的使用有時也不能準確的測量出液位，會出現假的液位，對工業操作影響較大。隨著科技的發展，工業上的設備也在做著日新月異的更替，各種更加優秀，更加精密的儀表設備也層出不窮，所以我們有了更好的一種選擇，電容式液位計。根據電容感應原理，當被測介質浸汲測量電極的高度變化時，引起其電容變化。它可將各種物位、液位介質高度的變化轉換成標準電流信號，遠傳至操作控制室供二次儀表或計算機裝置進行集中顯示、報警或自動控制。測量原理如圖所示：
其中:1是導電圓柱體
2是絕緣材料
3是測量筒或容器壁
內電極1和測量筒壁3形成一個同軸電容C
C = k1*h2+ k2*h1
H = h1+ k2
C=k1*（H-h1） + k2*h1 = k1×H +（k2- k1）*h1
其中： h1為液面高度
k1*h2為氣體部分形成的圓柱電容
k2*h1為液體形成的圓柱電容
k1、k2是與被測介質性質和電容結構有關的常數
由此可見，1和3之間的電容與液位成線性關系，檢測探極電容的變化即可測量液位高度。
電容式變送器由信號處理器、安裝法蘭、探極構成。探極由不銹鋼電極和外套聚四氟乙烯絕緣管組成。可適用于高溫、高壓、強腐蝕，易結晶，防堵塞，防冷凍及固體粉狀、粒狀物料。它可測量強腐蝕型介質的液位，測量高溫介質的液位，測量密封容器的液位，與介質的粘度、密度、工作壓力無關。尤其適合在強酸強堿和高溫（200℃）介質中使用。探頭使用溫度達到-200～250℃。具有更大的溫度跨度，更能適合不同溫度要求的環境。工作壓力為0～32MPa，而且精度可達到0.5﹪，絕度滿足了現在的合成塔氨冷器和冷凝塔的技術指標。要注意的是，探極具有一定剛性的軟電極，具有一定的柔軟性，所以對于氨分離器內插時候需要特別注意。首先，確定探極需要彎曲的方向，在這個方向上的探極頂端綁好牽引鐵絲（細扎線）。鐵線的牽引方向一定在與探極的彎曲方向一致。鐵絲的強度要夠，不能用銅線，捆綁要牢固，在探極上穿上透鏡墊后，牽引鐵線隨探極一起插入塔內，此時變送器表頭、探極保持固定的方向，不能隨意旋轉，慢慢穿入塔內，據手感探極受阻時，看探極余在塔外的長度與塔內徑、壁厚等數據可判斷探極是否已插入到塔內對面的塔壁。此時，將探極后退離開塔壁，用力拉牽引鐵絲，同時，用力將探極向里穿，手可以感覺探極彎曲向上，穿行一段后，剪斷牽引鐵絲，探極上鐵絲隨探極全部進入塔內。裝好法蘭等，安裝即可。
電容式變送器輸出為二線制4～20mA，4～20mA模擬電流信號輸出可輕易搭配各種控制儀表。相比較而言，電容式液位計有著更明顯的優勢，對環境有更好的適應性。再對照合成氨冷器和冷凝塔現在的狀況，電容式液位計無疑是更好的選擇。
總結
綜上所述，經過我的對比與分析，電容式液位計有著更明顯的優勢，在安全，儀表搭配，維護等方面有著更加適合我廠現在冷凝塔的需求。我人認為如果采用電容式液位計將會更加有利于現場的生產控制與我們的儀表維護。隨著科技技術發展日新月異，作為一名優秀的儀表工人，需要孜孜不倦學習，了解新技術的動態，才能為化工安全穩定生產保駕護航。
參考文獻
