淮陰工學院
畢業設計(**)外文資料翻譯
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
附件1：外文資料翻譯譯文
電容式感測器
1.簡介
電容式感測器可以直接感應各種物理量—位移，化學成分，電場等，並且能間接感應其他許多變數——能被轉換成位移或介電常數的各類物理量，例如壓力，加速度，液位，液體的組成。
它們是通過施加5v電壓的檢測電路將變化量轉化為電容電壓，頻率或脈衝寬度的變化量。電容式感測器的應用範圍非常廣泛。
2023年，第一次提到電容式感測器是在《自然》上，但是它的特點是很少感測器所具備的。令人驚奇的是，這隨著低成本的技術及其良好的穩定性，和簡單的調節電路的實現，感測器的偏移和增益調整不是必需的，作為電極的原始輸出訊號的電容跨度幾乎可以與電源接軌。這些優勢可以用來進行許多轉換。
經常聽到的反對電容式感測器技術的說法，它是對濕度敏感的不穩定和對高阻抗電路的需要。事實上，潮濕空氣也只比乾燥的空氣介電常數高百萬分之一，因此濕度本身也沒有什麼問題。但對於適當的電路設計和印刷電路板布局，電容式感測器和其他型別的感測器也有著區別。
他們不能承受放置在潮汐或凝結的空氣中，只有少數的電路可以。
設計過程通常遵循以下步驟
1）電極板的設計來衡量所需的變數。電容的最大值與極板面積和極板間距有關
2）通過把電容加上適當的電路來防範或遮蔽電極感測器的雜散電容和串擾
3）計算感測器電容，雜散電容和輸出訊號擺幅
4）指定轉換的功能，如e0= c（面積線性），e0= 1/c（間距線性）。使用兩個高精度平衡電容器，例如傳遞函式c1/c2或（c1- c2）/（c1 + c2）
5）選擇乙個激勵頻率足夠高降低噪音。通過增加激發頻率來降低外部和內部電路產生的噪音
6） 設計電路，既要以滿足精度為目標，也要考慮外界環境
1.1應用
電容式感測器具有廣泛的用途。如：
1）將流量通過電容感測器轉化為電訊號，電容式感測器也可以用來測量位移。
2）具有穩定靈敏偏轉特性的探測器可以用來測量壓力。
3）電容液位感測器，可以放置在導電液體的上方，或用於測量非導電油箱外板的電容變化，測量箱內的液位
4）間距—— 需要將放置金屬物體附近的電容電極靠的比較近。
5）掃瞄多片感測器 –單板間距測量可以推廣到多板間距測量。導電和絕緣的表面都可以測量。
6）厚度測量 -測量其介電常數已知的絕緣體厚度，或介電常數已知的接觸板的厚度。
7）冰探測器 -飛機機翼結冰可檢測機翼前緣使用的絕緣金屬條。
8）軸角或直線位置-電容式感測器可以測量角度和位置，用multiplate方案給出精度高和數字形式的輸出,或用一種較少的絕對準確性，但更快的響應和更簡單的電路模擬輸出。
9）燈調光開關-普通金屬板軟觸控燈調光器採用60hz的激勵和感應到人體的電容。
10）鑰匙開關- 利用電容式按鍵開關，或用手指移動導電柱塞使兩個小板之間的耦合中斷。
11）限位開關 -限位開關可以探測到乙個電容的增加。
12）xy座標- 電容大小不同的圖形輸入可作為輸入裝置電腦滑鼠的xy座標，手指觸控敏感，z軸敏感和手寫筆啟用的裝置都可供選擇。
13）加速度計-adi公司推出了1.5克的敏感性整合加速晶元。有了這種敏感性晶元的裝置可以作為乙個傾斜儀。
2. 電容的計算
2.1最簡單的電極結構是兩個一定間距的平行板所構成的。
圖1平行板
圖1為100公釐×100公釐尺寸和間距為1mm鋼板所組成的電容器，（忽略邊緣影響），在真空中的電容是88.54 pf。真空介電常數εr或相對介電常數k為1，空氣電介質常數增加至1.
0006。如塑料或油電介質材料具有典型3-10的介電常數，水等流體具有50或者更高的介電常數。
邊緣通量的影響，如果極板接近板間距，圖1計算是準確的。但是，隨著板間距的增加而使相對面積增加，更多的磁力線就可以通過邊緣和板背上，測量電容可以遠遠大於計算值。
圖2 同軸圓柱
2.2任意形狀的電極電容
計算任意電極電容涉及到了柏松定律。簡單說，通常可以解決徑向或矩形對稱的電容計算，但是對於計算相對複雜形狀的電容是比較困難的。
對於非對稱電極，可近似解。磁力線素描能夠產生出近似正交的磁力線和等勢面，並通過素描的面積來計算出電容的大小。
有限元素分析軟體和其他方面提供相當於執行乙個粗略的磁場線素描。有限元素分析程式可以處理二維或三維製作電容值的磁力線圖。
3.位移測量
電容式感測器常用於直接與非接觸式角度測量，以及測量線性位移，極板間距。
根據測量工作的使用，感測器電極有幾種不同的安裝。對於小位移精確測量，線性變化的間距是最好的，但是測量別的，面積變化是最好的。三電極系統可以提高效能，在許多板塊並行使用，增加電容。
多板可以獨立處理，以便更好的得到高精度的測量值。
4.感測器其他測量量
電容式感測器直接檢測電極的位移，導電或絕緣物體的位移，或使用材料的介電性。所有其他變數都必須先轉換成其中之一。
由於該技術具有優秀的，穩定的，低雜訊檢測的能力，這種間接的方法效果很好。
圖3等效電路
電容的等效電路可以近似於此電路，串聯電阻小，為我們高阻抗使用忽略電感。良好的介電層電容器具有非常大的分流電阻;聚丙烯電容器使用壽命已超過300小時。
其他材料具有更小的分流電阻，有時達到了電容阻抗的5-10％。雖然介電常數k是最穩定的，但分流電阻或同等水平的損耗角正切可能會顯示與材料效能或與頻率有很大差異。
例如，乾皮的損失角正切為0.045，但有15％相對濕度的乾皮的損耗角正切增大到1.4。
當空氣在1100千赫損耗正切0.0001辛烷值，但在91辛烷值損失正切上公升到0.0004
水有乙個高k（80）和乙個損失角正切在低頻率達到高峰，又在1010 hz這種高介電活動，損失角正切或水的介電常數可以用來檢測材料的水分含量。
另乙個電容器電介質特性，可能有一些材料效能檢測的使用介質吸收。它是通過檢測乙個電容器充電、放電10秒，再現後15分鐘的變化。乙個相對低質量的介質如鍍鋁紙有10％的電介質吸收。
5.訊號調理
訊號調理電路轉換成電壓、頻率或脈衝寬度調製電容變化。簡單的電路都可以使用，但簡單的電路可能由洩漏或雜散電容的影響，可能不適合應用於微小電容的測量。
圖4 rc振盪器
rc振盪器中乙個間距變化的電容器將會產生乙個線性間距的頻率輸出，乙個面積變化的電容器則可以用來測量線性化的脈衝寬度。
如圖4所示電路沒有容納雜散電容的方式。例如，電容器是由同軸電纜連線，電纜的電容，增加了被測電容的穩定性和靈敏度。通常，計算機軟體可以用來校正這些錯誤，但同步解調器電路是乙個更好的選擇。
rc振盪器的另乙個缺點是電容是相對於固定電阻，電阻溫度的公升高導致係數不穩定影響到電路測量。電容解調器中電橋的使用使得測量電路的精度更加高。
6.缺點
相對於其他型別的感測器，高阻抗電容式感測器需要特殊處理。次微安直流或交流訊號耦合到放大器的輸入必須防止一些可能的危害。
6.1 洩漏
小型感測器板可能有幾兆歐的放大器輸入阻抗，所以需要幾百兆歐的阻抗防止洩漏。
洩漏路徑通常在印刷電路板表層,通常由下面幾種情況所致：
1）松香殘留或潤滑油收集空氣中的雜質
2）導電殘留物
3）油漆，碳的著色
4）較高的濕度
防止洩漏
一種典型的高阻抗放大器是可以用來防止表面洩漏。
圖18保護洩漏路徑的低阻放大器
運算放大器的輸入偏置電流可以低至10fa。由大小為1015歐姆的表面洩漏電阻而引起的洩漏電流和運算放大器的偏置電流相等，能夠使放大器輸出達到乙個極值。
仔細清潔或保形塗層將對防止洩漏有所幫助，但是乙個簡單的保護技術是最好的。如上圖所示帶有接地印刷電路軌跡的防洩裝置採用點線式中斷洩漏路徑。因為阻焊層是在保護軌跡上對表面電流進行追蹤，所以它必須在保護箔上予以解除。
6.2靜電
靜電電荷可以在絕緣體附近由於電容式感板摩擦而產生,從而導致在一些危險情況下引**花。在更嚴重的情況下,一種積聚50-100v的電荷不會產生電弧,但會對機械振動產生有害的敏感性。這種敏感性由恒電容器電荷電壓v = q / c產生，由於振動隨間距變化而變化的電容可以驅動放大器輸入超過極值。
6.3雜訊
電容感測器的訊雜比是指勵磁電壓和放大器電壓雜訊的比率。最佳訊雜比的勵磁電壓是5-500 v。乙個高阻抗放大器可能含有乙個或兩個nvper根赫茲。
這就提供了在1赫茲頻寬下大小為2x109-5x1011的訊雜比。如果放大器的電流雜訊和高阻抗感測器一樣是乙個抽象因素,或者放大器輸入電容大於感測器的電容，那麼這個理論極值將會降低。
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