基于電容傳感器：基于Comsol的電容傳感器仿真.pdf
37 1 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào) Vol． 37 No． 1
第 卷 第 期
2015 2 Feb． 2015
年 月 JOUＲNAL OF EEE
基于 Comsol 的電容傳感器仿真研究
， ，
劉延?xùn)| 周恩學(xué) 董德帥
( ， )
遼寧大學(xué)輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院 遼寧沈陽(yáng)
: ， Comsol Multiphysics 。
摘要 本文首先通過(guò)麥克斯韋方程推導(dǎo)出電容傳感器檢測(cè)的理論基礎(chǔ) 以及采用 軟件仿真電容傳感器物理性質(zhì)的方法 從
。 ， 。
而辨別出封閉圓柱體內(nèi)介電物質(zhì)的形狀及位置 在此基礎(chǔ)之上 本文還對(duì)比分析了封閉圓柱體內(nèi)放入不同介電常數(shù)物質(zhì)檢測(cè)出的電容值 驗(yàn)
Comsol Multiphysics 。 。
證了 仿真電容傳感器的有效性 也證明了此軟件是學(xué)習(xí)工程電磁場(chǎng)過(guò)程中很好的輔助工具
: ;Comsol Multiphysics ;
關(guān)鍵詞 高斯定理 軟件 電容傳感器
中圖分類(lèi)號(hào):TB972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1008-0686 (2015)01-0074-03
The Simulation Ｒesearch of Capacitance Sensor based on Comsol
LIU Yan-dong ，ZHOU En-xue ，DONG De-shuai
(College of Light Industry ，Liaoning University ，Shenyang ，China)
Abstract :Using Maxwell's equations derives the theoretical basis of detection with capacitance sensor in this paper
and introducing a kind simulation method of capacitance sensor identifies dielectric material shape ，position and its
physical in the closed cylinder by Comsol Multiphysics software． Then ，conducting simulation is based on the soft-
ware and identifies the shape and location of the dielectric material in the closed cylinder． On this basis ，contrast a-
nalysis of the capacitance value fills different dielectric constant material in cylinder． Verifying the Coms
基于電容傳感器：基于電容傳感器的虛擬位移計(jì)設(shè)計(jì)劉野
1
基于電容傳感器的虛擬位移計(jì)設(shè)計(jì)
?
劉
沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院
?
摘要：
這次課設(shè)的要求是設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬位移計(jì)電路，顯示位移為
X.Xmm
，實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)采集、曲線(xiàn)擬合、數(shù)據(jù)處理、閾值比較能等功能，主要解決方案是利用電容
傳感器將被測(cè)位移轉(zhuǎn)化成兩極板間面積的變化導(dǎo)致電壓的變化，
將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)
據(jù)寫(xiě)入曲線(xiàn)擬合程序得到擬合曲線(xiàn)及其一般方程式
y=a*x+b
的系數(shù)
a
、
b
，將采
集到的電壓數(shù)據(jù)與系數(shù)
a
、
b
進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到位移值，并判斷是否超出預(yù)設(shè)范
圍，超出則報(bào)警，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，便于操作，數(shù)據(jù)采集率高，測(cè)量精確，
能準(zhǔn)確達(dá)到要求的目的。
關(guān)鍵詞：
電容傳感器，虛擬位移計(jì)，
LabVIEW
，曲線(xiàn)擬合
0.?
前言
?
虛擬儀器技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)的儀器及測(cè)量技術(shù)。
與傳統(tǒng)技術(shù)不同，
虛擬儀器
技術(shù)指在包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，
根據(jù)需求可以高效地構(gòu)建起形
形色色的測(cè)量系統(tǒng)。
虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。
計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是
目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。
這種結(jié)合有兩種方式。
一種方式是計(jì)算機(jī)裝入儀
器，
典型例子就是智能化儀器。
另一種方式就是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，
以通用的計(jì)
算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，
實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。
虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器的局
限，
能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，
有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，
將許多信號(hào)處理的方法
方便地應(yīng)用于測(cè)量中，
為自動(dòng)測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量創(chuàng)造條件，
創(chuàng)造出功能強(qiáng)大的儀
器。
用戶(hù)還可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。
使用不同的傳感器和變換
器可以測(cè)量各種不同的物理量，
并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，
計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡
獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，
軟件則控制著整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，
同時(shí)還對(duì)原始數(shù)據(jù)作分析處理，
并
將最后結(jié)果表示成容易理解的方式，例如圖表和文件等。
?
本課題要求精確到十分位，
測(cè)量范圍為
-2mm
到
2mm
，
擬合出位移與電壓的關(guān)
系曲線(xiàn)，
?
并能設(shè)定閾值，具有超值報(bào)警功能。
?
1.?
總體方案設(shè)計(jì)
?
整個(gè)電路的工作原理是利用電容傳感器將被測(cè)位移轉(zhuǎn)化成兩極板間面積的
變化導(dǎo)致電壓的變化，
將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)擬合得到擬合曲線(xiàn)及其一般方程式的系
數(shù)
a
、
b
，同時(shí)由
PCI-NI6024E
數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓數(shù)據(jù)與系數(shù)
a
、
b
進(jìn)行
數(shù)據(jù)處理得到位移值，并判斷是否超出預(yù)設(shè)范圍，超出則報(bào)警。
?
虛擬位移計(jì)的原理框圖如圖
1
所示
基于電容傳感器：基于電容式傾角傳感器CAV424檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
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基于電容傳感器：電容傳感器
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電容傳感器
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本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫(xiě)與應(yīng)用工作項(xiàng)目
審核
。
電容傳感器是指將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。實(shí)際上，它本身（或和被測(cè)物體）就是一個(gè)可變電容器。
[1]
中文名
電容傳感器
外文名
Capacitive Transducer
實(shí) 質(zhì)
一類(lèi)傳感器
特 點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等
應(yīng) 用
測(cè)量金屬表面狀況等
學(xué) 科
電子工程
目錄
1
原理
2
特點(diǎn)
3
應(yīng)用
4
改善方法
電容傳感器原理
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語(yǔ)音
由物理學(xué)知識(shí)可知，在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為
式中，
——真空的介電常數(shù)，
=
；ε——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，在空氣中，ε=1；A——極板的重合面積，m2；δ——兩平行極板間的距離，m。上式表明，當(dāng)被測(cè)量δ，A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可以把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過(guò)配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型的應(yīng)用較廣泛。
[1]
電容傳感器特點(diǎn)
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語(yǔ)音
電容傳感器有如下一些特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②動(dòng)作時(shí)需要能量低，由于帶電極板間靜電吸引力很小（約幾個(gè)
N），因此電容傳感器特別適宜用來(lái)解決輸入能量低的測(cè)量問(wèn)題；③動(dòng)態(tài)特性好，電容傳感器的相對(duì)變化量只受線(xiàn)性和其它實(shí)際條件的限制，如果使用高線(xiàn)性電路時(shí)，電容變化量可達(dá)100%或更大；④自然效應(yīng)小；⑤動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及能在惡劣的環(huán)境下工作。但由于電容傳感器的初始電容較小，受引線(xiàn)電容、寄生電容的干擾影響較大；另一方面電容傳感器輸出特性為非線(xiàn)性。
[2]
電容傳感器應(yīng)用
編輯
語(yǔ)音
電容傳感器可以直接測(cè)量的非電量為：直線(xiàn)位移、角位移及介質(zhì)的幾何尺寸（或稱(chēng)物位），直線(xiàn)位移及角位移可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的，例如是直線(xiàn)振動(dòng)及角振動(dòng)。用于上述三類(lèi)非電參數(shù)變換測(cè)量的變換器一般說(shuō)來(lái)原理比較簡(jiǎn)單，無(wú)需再作任何預(yù)變換。用來(lái)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往采用單極式變間隙電容傳感器，使用時(shí)常將被測(cè)物作為傳感器的一個(gè)極板，而另一個(gè)電極板在傳感器內(nèi)。近年來(lái)已采用這種方法測(cè)量油膜等物質(zhì)的厚度。這類(lèi)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍均比較小，約為十分之幾毫米左右，而靈敏度則在很大程度上取決于選材、結(jié)構(gòu)的合理性及寄生參數(shù)影響的消除。精度達(dá)到0.1μm，分辨力為0.025μm。可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，它加給被測(cè)對(duì)象的力極小，可忽略不計(jì)。測(cè)物位的傳感器多數(shù)是采用電容式傳感器作轉(zhuǎn)換元件。電容式傳感器還可用于測(cè)量原油中含水量、糧食中的含水量等。當(dāng)電容傳感器用于測(cè)量其他物理量時(shí)，必須進(jìn)行預(yù)變換，將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成d，S或ε的變化。例如在測(cè)量壓力時(shí)，要用彈性元件先將壓力轉(zhuǎn)換成d的變化。
[3]
電容傳感器改善方法
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語(yǔ)音
為了提高電容傳感器的靈敏度、減小界干擾、寄生電容及漏電的影響和減小線(xiàn)性誤差，可采用以下措施：①由于當(dāng)d減小時(shí)可使電容量加大從而使靈敏度增加，但d過(guò)小容易引起電容器擊穿，一般可以在極板間放置云母片來(lái)改善；②提高電源頻率；③用雙層屏蔽線(xiàn)，將電路同電容傳感器裝在一個(gè)殼體中，可以減小寄生電容及外界干擾的影響。
[2]
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陣列式紅外傳感器和電容傳感器在脈搏檢測(cè)方面的應(yīng)用
最近我在和一個(gè)醫(yī)學(xué)院做科研合作，合作的是一個(gè)關(guān)于脈搏波檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目我是非常感興趣的，也投入了一些精力做了幾種可行的方案，由于我對(duì)于紅外傳感器方面接觸的項(xiàng)目比較多，我更傾向于使用紅外陣列傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)脈搏的檢測(cè)。說(shuō)到紅外傳感器檢測(cè)脈搏波信號(hào)，也不是很高大上的技術(shù)，這個(gè)...
2020-07-250
響拇指電子
深圳響拇指電子科技有限公司
什么是電容傳感器？
什么是電容傳感器？電容傳感器是非接觸型傳感器，其根據(jù)在傳感器電極和GND或人手之間產(chǎn)生的電容變化來(lái)檢測(cè)物體。傳感器電極可以是任何導(dǎo)電金屬，因此可以設(shè)計(jì)低成本且高度靈活的系統(tǒng)。在了解電容式傳感器之前，首先要了解電容器。電容器是電子電路中常見(jiàn)的無(wú)源元件之一，是通過(guò)靜電電容來(lái)積蓄...
2019-08-230
參考資料
1.
張洪亭，王明贊編．測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)：東北大學(xué)出版社，2013.12
2.
李田澤主編．傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用：海洋出版社，2015.05
3.
劉迎春，葉湘濱編著．傳感器原理 設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第5版：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.06
