时间：2022-01-30 13:50:56
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电容式传感器，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
因为混合信号ICT艺得到广泛的采用，这种技术允许芯片设计师优化芯片的模拟和数字子系统，以构建具有前所未有的灵敏度和耐用性的电容式传感器，而且成本是机械式开关所不能比拟的。
如何工作
电容式传感器基本上可以分成三类：电场传感器、基于弛张振荡器的传感器以及电荷转移(QT)器件。电场传感器通常会产生数百kHz的正弦波，然后将这个信号加在电容一个极板的导电盘上，并检测另外一个导电盘上的信号电平。当用户的手机或另外的导体对象接触到两个盘的时候，接收器上的信号电平将改变。通过解调和滤波极板上的信号，可能获得一个直流电压，这个电压随电容的改变而变化；将这个电压施加在阈值检测器上，即可以产生触摸／无触摸的信号。
弛张振荡器使用了一个电极盘，其上的电极电容构成了锯齿波振荡器中的可变定时单元。通过将恒定电流馈入到电极线，电极上的电压随时间线性增加。该电压提供给比较器一个输入，而比较器的输出连接到一个与电极电容并行连接的接地开关上。当电极电容充电到一个预先确定的阈值电压时，比较器改变状态，实现开关动作一对定时电容放电，打开开关，这个动作将周期性的重复下去。其结果是，比较器的输出是脉冲串，其频率取决于总的定时电容的值。传感器根据不同的频率改变来报告触摸／无触摸状态。
QT器件利用了一种称为电荷保持的物理原理。举例来说，开关在一个短时间内施加一个电压到感应电极上对其充电，之后开关断开，第二个开关再将电极上的电荷释放到更大的一个采样电容中。人手指的触摸增大了电极的电容，导致传输到采样电容上的电荷增加，采样电容因此改变，据此就能得出检测结果。
QT器件在突发模式采样之后即进行数字信号处理，这种方法能提供比竞争方案更高的动态范围和更低的功耗，而自动校准例程可以补偿因为环境条件改变带来的漂移。更重要的是，这种方法足够灵敏，在电流透过厚的面板时不需要一个参考地连接，因此适合电池供电的设备。Quantum(量研公司)的QT芯片就是采用这种方法。
应用实例
QT芯片出现在一系列具有挑战性的应用中，如微波炉和炉灶面控制。它在这些应用中必须承受很高的湿度、污染挑战。而便携式电子产品也经常面对这种情况，它们所处的环境经常变化，因此QT传感器也非常适合这种应用。QT传感器在干扰下的高电阻对于移动设备来说至关重要，因为它们附近经常有很强的辐射源，如：PC、手机等。
因为这个原因，QT芯片越来越多地在便携式设备中出现。很多领先的亚洲OEM厂商都采用了这种技术，包括DEC、JW Digital、松下和Microstar。例如，在JWM一811 0闪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。这些芯片可以工作在2．8―5．5V电源电压下，吸收的电流大约为40 L1 A，专门针对移动电子产品进行了优化，采用了5mm x5mm x 0．8mm QFN封装，这种封装是空间有限的手机和遥控设备所必需的。QTl 0 8 0支持8个独立的按键通道，QTll01支持10个通道。两个芯片都包括邻近按键抑制(AKSTM)功能，可以确保芯片正确地识别手指的位置。这个概念很简单，通过比较邻近按键的信号电平来确定最大值，这样就能确定“真正的”手指位置。设计者可以自行选择是否启用AKS功能。QTl080利用一个硬件状态线连接每个输入通道，而QTll01通过一个串行连接输出。像所有的QT芯片一样，这两种方法都利用扩谱搜索自动校准，使噪声抑制最大化。
一般可用多输入通道实现滑动按键或旋转按键，而专用的QT系列芯片只用三个分辨率为7位(128点)的通道就能实现高分辨率线性滑动或旋转界面。例如QT511(该芯片的主要目标应用也是便携式电子产品)使用三个感应通道来驱动通用电气公司的一位发明家于1978年设计的电极图形，可返回一个128点的结果。
其他可能性
很多设计师都利用QT芯片来替代电阻式触摸屏。因为该方法只需要将单透明层铺设在屏幕上用于感测，与多层电阻式技术相比，对光线的吸收大大降低。OEM厂家还使用多通道传感器来实现可编程的不透明触摸表面，面板的配置由软件来调配，这能帮助降低材料成本。同样的办法还为用户依据个人喜好配置触摸屏提供了可能，用户可从网络服务器下载规格，或者自己运行一个配置程序。
关键词：粮食水分；电容式；发展趋势
中图分类号：TS211.41 文献标识码：A
前言
粮食是人类赖以生存的物质基础，其质量的好坏是关系到国计民生的大事[1]。在运输和储藏过程中，粮食的含水率是影响其质量的一个非常重要的指标。粮食中的水分按物理性质可分为游离水（自由水）和结合水（结晶水）。游离水是通过物理吸附作用凝聚在粮食颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分；结合水是通过化学作用吸附在粮食细胞内或粮食分子结构中的水分。游离水具有普通水的一般性质，其对粮食的质量有着重要的影响，粮食的含水率就是指游离水占粮食重量的百分比[2]。
粮食刚收获时一般内部都含有较高的水分，高含水率会促使粮食生命活动旺盛，容易造成粮食发热、霉变、生虫和其他的生化反应。为了确保粮食的安全储藏，必须对收获后的粮食进行及时干燥，将其含水率降至安全储藏标准[3-4]。因此，粮食水分检测技术在粮食干燥过程中显得尤为重要。
1 粮食水分的检测方法
粮食水分的检测方法主要有直接法和间接法。直接法通过对粮食进行加热干燥后直接测量其水分的含量。这种检测方法是一种基准法，测量时不会改变样品的性质，但它是一种间歇式的测量方法，一般需要较长的测量周期，根据所使用的方法不同，测量时间大约需要十几分钟到几个小时不等，不能实现对粮食水分含量的连续测量。间接法是通过测量与水分含量变化相关的物理量从而得到粮食的水分含量，因此容易实现水分的在线测量。间接法包括化学法、电导法、电容法、中子法、微波法、光学法等[5]。其中，电容法具有结构简单、分辨率高、动态响应快以及价格便宜等特点，但其受外界影响的因素较多，数据处理也相对复杂。
2 电容式粮食水分传感器及原理
电容式粮食水分传感器是依据电容法为基础设计的，其原理是：在常温下，干燥粮食的介电常数为2～4，而水的介电常数约为80。粮食干质的介电常数远远小于水的介电常数。当电容式水分传感器以粮食作为极间介质时，粮食含水率的变化必将引起其介电常数的相对变化，在电容器极板面积和极板间距不变的条件下，可以通过测量此电容器的电容值变化来测定粮食的相对介电常数值，由此得出被测粮食的含水率[6]。
目前，常见的电容式粮食水分传感器的极板结构主要有2 种型式：圆筒型和平行极板型[7]。
2.1 圆筒式电容传感器
圆筒式电容传感器一般是把传感器的电容极板制作成同心轴圆柱形，即类似量筒或量杯的形状，2块圆形极板的中空部分是粮食的采样区域。
圆筒式电容传感器的极板结构如图1所示。
图中圆筒式电容传感器的高为L，内极板为半径为r，外极板半径为R，当L>>R-r时，可忽略圆柱的边缘效应。当2极板分别带有电荷+q和-q时，电荷均匀的分布在两极板的表面上，则圆柱每单位长度的所带电荷量绝对值为λ（λ=q/L）。由于电容传感器两极板具有轴对称性，那么两极板间离圆柱轴线距离为s处的电场强度E为：
其中，为真空介电常数。
两极板间的电势差ΔU为：
则圆筒式传感器的电容为：
当电容传感器两极间放入介电常数为的被测样品时，其相对介电常数为：
极板电容值则变为：
由上式可以看出，当粮食内部的含水量变化时，其相对介电常数也会相应改变，从而导致电容传感器的输出电容值发生变化。因此，可以通过测量电容传感器的电容值来得出被测粮食的含水率。这就是圆筒式电容传感器测量粮食含水率的工作原理。
圆筒式电容传感器在使用时一般需要垂直接入或嵌入到干燥机的粮食流道中[8]，其占用了较大的高度空间，不适用于低矮体积小的干燥机。此外，圆筒式电容传感器内部的间断启闭采样装置常有堵塞或机械故障等问题的发生，需要工作人员停机给予维修。
2.2 平行极板式电容传感器
平行极板式电容传感器是由2块相对的平行极板构成的，2块平行极板中间的部分是粮食的采样区域。
平行极板式电容传感器的结构如图2所示。
其极板的电容计算公式为：
式中，为真空介电常数，为被测物料的相对介电常数，A为电容极板的面积（），D为两极板间的距离。
当2块电容极板间充满被测粮食时，其内部空间可以抽象成是由粮食的干质、粮食中的水分和粮食颗粒孔隙中的空气3者所组成的。设3者的介电常数分别为、、。则此时电容传感器的电容值C为[9]：
式中，，e为两极间粮食的孔隙比，为粮食干质的容重，M为被测粮食的含水率。
上式给出了电容传感器电容值与其影响因素之间的关系，只要确定了相关的影响因素，就可以用所测极板电容值来反应被测粮食的水分含量。
将平行极板式电容传感器应用在粮食干燥装置上进行在线测量粮食水分时，需要粮食从极板间流过，这样会导致安装十分困难。且为了提高传感器的灵敏度，通常需要加大极板相对面积来实现传感器的初始电容值的增加，因此，在用于对传感器体积有特殊要求的场合时则受到了一定的限制。如果用减小传感器极板间距的方法来保证灵敏度，则传感器的量程又会受到直接限制[10]。
3 电容检测技术的发展趋势
目前，根据不同的水分检测技术而生产出来的水分仪种类有很多，它们按市场的不同需求被应用在各种场合中。电容检测技术作为众多检测方法之一，以其诸多优点被广泛应用。研究人员也针对电容式传感器的影响因素提出了很多解决方法。例如，将平行极板式电容传感器的2块极板置于同一平面上，成为了平板式电容传感器，减小了安装难度。给电容器加装排粮轮来减小被测粮食紧实度变化对测量结果造成的影响等。但电容式水分传感器领域仍有很大的研究空间。提高检测精度和在线检测的稳定性等难题，还需要研究人员深入探索加以解决。
参考文献
[1] 林国栋.粮食水分在线检测控制系统的研究[D].辽宁：沈阳工业大学，2003.
[2] 单成祥.传感器的理论与设计基础及应用[M].北京：国防工业出版社，1999.
[3] 张永林，王旺平，郑，等.谷物干燥实时在线智能水分测量系统[J].农业工程学报，2007，23（09）：137-140.
[4] 李振涛，张阳，张丽梅.谷物类粮食水分自控系统的研制[J].沈阳师范大学学报，2008，26（01）：79-81.
[5] 丁元明，张学东，王雪.粮食水分测量技术概况[J].分析仪器，1997（02）：5-8.
[6] 蔡利民，孔力.圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析[J].分析仪器，2009（01）：49-52.
[7] 杨荣辉.电容式粮食水分仪的研究[D].沈阳：沈阳工业大学信息科学与工程学院，2003.
[8] 程卫东，柏雪源，王相友，等.干燥过程中谷物水分在线测量系统[J].农业机械学报，2000，31（02）：53-55.
[9] 李庆中，高玉根，张道林，等.谷物含水率在线测试系统的研究[J].农业机械学报，1995，26（03）：80-84.
关键词：手写笔；电容式触摸；有源
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.4.002
还记得手写笔是早期PDA类型设备的常用文本输入和导航控制工具吗？在那时，电阻式触摸屏技术在大多数初始触摸屏设计中占据主导地位。随着感测层位于前面板后的光滑、闪亮的电容式触摸屏的出现，手写笔的使用减少了，但是为期不长。
现在消费者将其平板电脑和智能手机看作用于创建内容的设备，而不是仅仅用于访问或使用内容。手写笔是一个自然的选择，为输入文本、做笔记和画图等任务提供了令人熟悉的精确的笔一样的体验。
图1电阻式触摸传感器，比如在普通堆栈中的那些传感器，提供了实现笔和手写笔输入的成本较低的较简单方法。然而，它们没有其他替代技术的光学清晰度和可靠性。
屏幕之下
使用电阻式技术，机械传感器安装在显示屏和嵌入式控制器的顶部（图1），传感器包括一个柔性聚酯顶层和一个刚性玻璃底层，它们使用空气和/或绝缘点分隔开来。
两层各自的内表面涂有透明的金属氧化物涂层（铟锡氧化物或ITO），施加电压时有助于在每一层形成梯度。当手写笔压下柔性薄膜时会接触到下部的电阻层，从而激活信号。
各层之间的控制电子交替电压，经过后续的X和Y坐标到达触摸屏控制器。而后，触摸屏控制器数据传输到CPU用于处理。
在电阻式触摸系统中实施手写笔功能相对简单直接，电阻式触摸传感器经设计提供用于手写笔和手指的优化性能。而现在，电容式触摸是从蜂窝电话到电子阅读器、平板电脑以及笔记本电脑的大多数移动设备的首选技术。
电容式触摸技术提供了丰富的用户体验，由于具备出色的光学特性，以及电阻式触摸系统所不具备的坚如磐石的可靠性，因此带来了更清晰、更新颖的显示性能。不过，用于电容式触摸技术的手写笔实施方案并不简单，需要考虑诸多因素。
感应技术：良好的性能，更高的成本
评估现有的潜在手写笔技术，设计工程师有三种可能的选择：感应技术，无源电容式手写笔，以及有源电容式手写笔，多年以来，感应技术方法一直非常盛行，尤其是在图形输入板和平板电脑中。
感应技术包括一个印刷电路板（PCB）传感器，一个混合信号IC控制器、驱动器软件，以及一个手写笔。传感器位于LCD和背光装置的下部，传感器是由铜轨道构成的，在X和Y方向提供大量的重叠的天线线圈。这些线圈发射电磁信号，可以使用带有有源或无源电路的专用电磁笔检测信号。
磁场的能量维持电路运作，将能量从传感器处转移到电磁笔中，笔的自有电路接收能量，一个电感器/电容器与频率共振以确定其数值。然后，能量反射回到传感器，作为模拟信号被接收，并传输到控制器IC，从而提供位置坐标数据。
图2除了电容式触摸传感器，还需要一个附加的传感器用于感应式有源手写笔技术。这个附加的传感器增加了成本和设备的厚度，但是提供了最商胜能的触摸和手写笔解决方案。
感应方法具有良好的性能，但其实施方案往往比较昂贵（图2），感应手写笔运作所需的额外堆叠层增加了设备的厚度，需要附加的电路，并且增加了相关的成本。
无源电容式手写笔：中等性能、低成本
无源电容式手写笔基于投射电容式场电荷转移感测技术，提供了具有中等性能水平的低成本解决方案，广泛用于蜂窝电话和较新的平板电脑设备，在手指等物体接近或触摸屏幕的表面时，投射电容式触摸屏通过测量所引起的电容的微小变化来运作。
用于电荷收集的电容至数字转换（capacitive-to-digital conversion，CDC）技术和电极结构（通常是位于显示屏顶部的透明传感器薄膜）的空间排列的组合，对于整体性能产生了很大的影响。这种组合也有助于推动方案的实施。
业界有两种安排和测量电容变化的基础方法：自电容和互电容。使得电容式触摸屏能够可靠地报告和跟踪多个同时触摸点的唯一方法，是测量传输和接收电极安排为正交组合处的互电容。
采用自电容方案，测量整行或整列的电容变化，当用户触摸两个位置时会导致位置模糊。在实际中，自电容仅适用于单一触摸或非常有限的双触摸应用。
触摸屏中的传感器包括一个或多个位于透明基板材料上（通常为PET或玻璃）的图案化透明导体层，传感器位于显示屏上。为了构建一个能够通过玻璃或塑料前面板来解析一个或多个手指触摸的传感器产品，需要采用完全的正交网格电极。
图3使用maXTouch触摸控制器来同时支持触摸和电容式手写笔的各种电容式传感器堆叠之一，这项技术提供了高性能的有源手写笔解决方案，且不会增加成本或牺牲性能。
通常情况下，图案化导体（电极）是由蚀刻图案ITO制成的，这是一种高透明性材料，既具有良好的光学清晰度，同时可保持稍低的电阻系数。ITO可以用于制造真正的传感器矩阵，唯一的触摸敏感区域是行电极和列电极相互结合位置附近。
使用插补方法，在单一触摸的中心位置可以获得相当准确的分辨率。在需要唯一确定数个邻近触摸点的时候会出现困难，因为这需要高电极密度。
这意味着行和列的间距必需达到5mm左右或更小，而这是拇指和食指两指之间指尖距离所测量出，方法是两指合在一起，然后除二再分开。广泛的测试已经证实10～12 mm的分隔距离，可以在空间分辨率和增加传感器复杂性之间建立最佳的折衷权衡。
高电极密度实现了另一个重要的特性：使用无源导电的手写笔。只要使用正确的传感器设计和非常先进的触摸追踪算法，便有可能使用一个笔尖尺寸为3～5 mm的简单无源导电手写笔。
有源手写笔：出色的性能，较低的总体成本
第三种手写笔实施方案是有源手写笔，这项技术包括投射电容式场触摸屏的出色性能和特性，集成了一个能够检测场的存在并与触摸屏控制器通信的手写笔。
例如，爱特梅尔的maXStylusmXTS100有源手写笔支持其maXTouch触摸屏控制器，这些技术的组合简化了硬件，并且降低了总体解决方案的成本，因为仅仅需要与maXTouch控制器接口的单一ITO传感器，用于检测手指触摸和手写笔接近。
通过系统驱动程序和串行接口，系统主控制器与maXTouch芯片组接口，用于触摸和手写笔数据。这种同时触摸和手写笔能力称作多重感测（multiSense）功能性。
mXTS100器件采用电容式感测来检测有源maXTouch传感器的存在，并且响应其自有的信号以指示位置、压力、按钮点击定时，以及其它信息。maXTouch控制器通过传感器接收手写笔信息，同时检测手指触摸操作。
在maXTouch控制器检测到手写笔的存在之后，激活专用算法来处理手写笔数据，从而提供高线性度和高分辨率。更多的处理提供出色的手掌抑制特性，从而带来畅顺舒适的像笔一样的手写笔书写体验。
此外，使用1 mm笔尖直径和140Hz快速帧率，maXStylus有源手写笔能够提供快速、准确的手势捕获，比如在触摸屏上的轻击。
结论
关键词：电容传感器；测厚仪；误差
1 概述
电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。由于它结构简单、体积小、分辨率高，可实现非接触式测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，目前，在自动检测中得到了广泛的应用[1]。电容式测厚仪是用于测量金属带材在轧制过程中厚度在线检测的仪器，传统的方法是采用两电容并联构成差动结构来检测金属带材的厚度，该方法会随着带材在线检测过程中波动的幅度增大而误差增大。文章提出了一种改进型电容测厚仪，采用独立电容进行检测，较原方法，误差降低。
2 差动式电容传感器
现有的这种金属带材测厚仪，其工作原理是在被测带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板，如图1所示。这样极板与带材就构成了两个电容器C1，C2，把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，在电路中C1、C2属于并联方式，其总电容为C1+C2。金属带材在轧制过程中不断向前送进，如果带材厚度发生变化，电容测厚仪传感器将引起它与上下两个极板间距变化，从而引起电容量的变化。如果将总电容量作为交流电桥的一个桥臂，电容的变化量DC引起电桥不平衡输出，经过放大、整流、滤波即可在仪表上显示出带材的厚度。
将（4）式与（3）式进行比较发现，只要金属带材不是处于两极板中心位置，将产生的位置误差。但是，金属带材在线检测过程中必定存在上下波动，即使采取一定的措施，仍存在误差，该误差是由于两电容并联所造成的。传统的电容测厚仪测厚精度较低，并且为了使带材尽可能的处于中心位置，也加大了操作的难度。所以，这种方法并不理想。
3 独立电容传感器
在电容器两极板间的空隙中放入金属板，很明显电容器的电容值会改变，但不像改变电介质那样。当放入金属板后，金属板在匀强电场中静电平衡，成为等势体。于是，我们可以把它当作等势面而忽略厚度，厚度忽略后其板间距离可看作减少了x（x为金属板厚度），故由C的决定式可得电容增大，增大部分即由金属板厚度引起的。基于此思想，可以把金属带材假设成放入电容器两极板间的一个等势体[4]。
在被测金属带材的上、下面对应位置各安置一块电容传感器的极板，这两块极板构成一个独立的电容传感器。假设金属带材上、下极板之间的距离固定为d0（即独立电容初始极板间距离为d0），带材的上表面与上极板间距为d1，带材的下表面与下极板间距为d2，带材的厚度为x，则d0=d1+x+d2。不论被测带材是否处于中心位置，也不论被测带材上下波动如何，只要厚度x一定时，那么电容两极板间距d0-x=d1+d2即为固定值。通过测量（5）式中的Cx即可确定金属带材x的厚度。
这样，通过测量独立电容器的电容值，克服了并联式电容器存在的原理性误差的缺点，解决了金属带材传输过程存在的上下波动的问题。
由于式（5）中厚度x与输出电容Cx为非线性关系，可采用放大倍数足够大，输入阻抗足够高的运算放大器作为后续理想的测量电路，该电路将电容又转化成电压输出。不过此时，运算放大器的输出电压与带材厚度x成线性关系，解决了变极距式电容传感器的非线性问题。
4 结束语
文章提出了独立电容传感器检测金属带材厚度的原理和方法，完全消除了被测带材在测量过程中上、下波动对厚度检测的影响。由于输出的电容变化值十分微小，不能直接为目前的显示仪表所显示，所以借助运算放大器测量电路，将其转换成与厚度x成单值函数关系的电压。该方法操作简单，提高了测量精度。
参考文献
[1]陈艳红.传感器与检测技术[M].南京大学出版社.
[2]熊葵容.电容传感器检测金属板带厚度的研究[J].传感器世界.
[3]张建忠.传感器与检测技术[M].北京邮电大学出版社.
关键词：MEMS压力传感器；惠斯顿电桥；硅薄膜应力杯；硅压阻式压力传感器；硅电容式压力传感器
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2009.06.015
本文于2009年3月22日收到。颜重光：高工，上海市传感技术学会理事，从事IC应用方案的设计策划和客户应用技术支持。
MEMS(微机电系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。
MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门。使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器。MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
MEMS压力传感器原理
目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。
硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的。具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。
MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高，精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01％～0.03％FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。
电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状。上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移。改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容最的大小，即压力=电容量(图5)。电容式压力传感器宴物如图6。
MEMS压力传感器的应用
MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS(轮胎压力监测系统)、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。
典型的MEMS压力传感器管芯(die)结构和电原理如图7所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥，右是管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感器产品，如图8所示。MEMs压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内(MCM)，使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。
MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链
MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链如图9所示。目前IC的4英寸圆晶片生产线的大多数工艺可为MEMS生产所用；但需增加双面光刻机、湿法腐蚀台和键合机三项MEMS特有工艺设备。压力传感器产品生产厂商需要增加价格不菲的标准压力检测设备。
对于MEMS压力传感器生产厂家来说，开拓汽车电子、消费电子领域的销售经验和渠道是十分重要和急需的。特别是汽车电子对MEMS压力传感器的需要量近几年激增，如捷伸电子的年需求量约为200～300万个。
料位测量是物位测量中的一个分支。物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒状固体、气体之间的分界面位置，根据具体用途分为液位、料位和界位传感器。
目前，我国主要是以原煤为发电燃料，大多数电厂锅炉都采用煤粉向锅炉供料。对于直吹式供料的锅炉，煤仓料位高低关系到锅炉乃至发电系统能否正常运行。煤仓料位过满溢出，造成冒煤事故；煤仓料位过低或排空会造成燃烧不稳甚至灭火停机的大事故。对于中贮式供料的锅炉，既有煤仓，又有粉仓，煤仓粉位的控制尤为重要。煤粉仓是燃料的中转站，煤粉是用空气传输的，高热的气体使煤粉进入煤仓中就有了一定的“基温”，一般在70°C左右，其作用是使煤粉有一定的离散性。可是，这个温度使煤粉中的水分快速蒸发并被吸潮管排出仓外，煤粉将越来越干燥，这种煤粉是极易集热，集热的最终结果是燃烧。燃烧加剧周围乃至仓内的集热，周而复始，恶性循环，这样如不能及时的有效控制，其结局将是白白烧掉大量煤粉。据有关资料报道，自燃煤粉约占发电总用煤量的0.5%左右。另外，煤仓煤粉爆炸的损失更大，多年来，煤仓煤粉爆炸事故常有发生，给火电厂造成巨大损失。目前，最经济、最适用的方法是通过可靠的料位传感器对煤仓的煤位和粉位进行监控，使其始终处于最佳中转适控状态，这是火力发电机组安全运行的首要保证。
二、原理及特点
火电厂目前采用的料位传感器主要有重锤式、核辐射式、超声波式和电容式。
1．重锤式料位传感器
重锤式料位传感器由伺服电动机、悬有重锤的钢丝绳、料位发信装置以及带微机的显示仪表所组成。起动后，微机发出降锤信号，伺服电动机转动放下重锤，当重锤碰到料面后，发信器发出信号给微机，使重锤停止下降并发出升锤信号，伺服电动机反转使重锤上升，并发出料位信号值给显示仪表。重锤升至仓顶后电动机停转，经过一段延时后再重复上述动作。显示仪表上还有料位上、下限报警发信等装置。重锤式料位传感器可解决一定量程范围内的测量问题，典型的测量范围可达60m，而且这种测量与蒸汽、灰尘无关，具有较高的测量精度。
2．核辐射式料位传感器
放射源Co-60（半衰期5.26年）和Cs-137（半衰期32.2年）发射的g射线能够穿透容器壁和容器内的物料。在贮仓下侧装有g射线接收器，随着料面高度的变化，g射线穿过料层后的强度也不同，接收器检测出射入的g射线强度并通过显示仪表显示出料位高度。
这是一种非接触式测量法，无需在容器上穿孔而损坏容器，所以适用于危险物品以及高温高压等恶劣环境下的测量。g射线对人体固然存在有害作用，但对于有限剂量，在妥善防护下并无危险。
3．超声波式料位传感器
在贮仓顶部对着料面装有超声波发生器和接收器。发生器发出的超声波经空气层射至料面后就被反射，一部分反射被接收器所接收，由超声波发射至接收所经历的时间乘以声速就可计算出料位高度。由于空气温度的高低会影响声波的传播速度，所以还需测量空气温度以修正声速。超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。
4．电容式料位传感器
电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位的原理进行工作的。
电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。
超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞（Kay-Ray）公司和马格尼特（Magnitrol）公司的超声波式料位计，精度可达0.25级；德国E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲区是0.7m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位；德国E+H公司的QG型为核辐射式料位传感器，发射源的Co-60或Cs-137封装在灌铅的钢保护罩内，此罩设有可开闭的窗口，不用时关闭，以免辐射危害。接收器是管状结构，长100～1500mm，它安装在与发射源相对应的位置，若g射线发散角、距离和接收器三者相互配合，在整个量程范围内都能有效地检测。
三、应用
沈阳电力高等专科学校自动控制研究所研制了重锤式料位传感器，并把它应用在670T/h锅炉煤粉仓的料位测量上。
（一）构成原理
该重锤式料位传感器的型号为SE-2，也称智能料位仪，它主要由探测器和控制器组成。探测器由开关磁阻电动机、传动机构和重锤也称探头）组成，由重锤行程反映料位高度。控制器由单片机（8098）、显示器、功率变换器和面板组成。面板采用PVC贴膜，具有数码管显示器、触摸按键和指示灯。用软件控制探测器中重锤的升降过程。
重锤固定在开关磁阻电机的钢丝绳上，依靠自身重力随绕线轮垂直下降某一单位高度，以提升电流的大小判断重锤是否接触到煤粉表面。若提升电流很小，说明重锤已接触到煤粉，这时发出脉冲信号，电机反转至初始位置，使重锤提升至仓顶复位，防止重锤被煤、粉淹埋。若煤或粉很少时，重锤继续下降，分段采集信号，直到触及到煤或粉位，或重锤下降到煤、粉位极限位置，再将重锤提到复位位置并报警，限位开关闭合，电机断电，一次检测结束，等待下一次检测指令。
以单片机（8098）为主控单元的二次仪表接收光电开关输送的磁阻电动机转数信号，经数据处理后进行料位的数字显示。
（二）特性
SE-2重锤式料位传感器的主要特性如下：
①可在加料过程中自动连续运行，不受物料的塌落埋压及冲击等影响；
②其结构可靠性高，适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境；
③具有手动随时检测和自动定时检测两种功能；
④具备上、下限值报警功能和循环显示多点料位高度功能；
⑤有可恢复性故障的恢复处理功能，不可恢复故障的重锤复位及故障信号的显示报警；
⑥对不可恢复的重锤故障，可以用强制提升和下放重锤的功能来处理；
⑦操作简便，使用安全，测量精度高。
超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。
4．电容式料位传感器
电容式料位传感器是采用测量容器的探头与容器内壁之间、两探头之间或探头与同心测量管之间的电容，利用物料介电常数恒定时极间电容正比于料位的原理进行工作的。
电容式料位传感器的特点是无可动部件，与物料密度无关，但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿，且需用高频电路。
超声波式和核辐射式料位传感器多为国外引进产品，如美国凯瑞（Kay-Ray）公司和马格尼特（Magnitrol）公司的超声波式料位计，精度可达0.25级；德国E+H（Endress+Hauser）公司的DU212和DU213，最小盲区是0.7m，此范围以内不能使用，最远距离受声功率限制，只能测40m内的料位；德国E+H公司的QG型为核辐射式料位传感器，发射源的Co-60或Cs-137封装在灌铅的钢保护罩内，此罩设有可开闭的窗口，不用时关闭，以免辐射危害。接收器是管状结构，长100～1500mm，它安装在与发射源相对应的位置，若g射线发散角、距离和接收器三者相互配合，在整个量程范围内都能有效地检测。
三、应用
沈阳电力高等专科学校自动控制研究所研制了重锤式料位传感器，并把它应用在670T/h锅炉煤粉仓的料位测量上。
（一）构成原理
该重锤式料位传感器的型号为SE-2，也称智能料位仪，它主要由探测器和控制器组成。探测器由开关磁阻电动机、传动机构和重锤也称探头）组成，由重锤行程反映料位高度。控制器由单片机（8098）、显示器、功率变换器和面板组成。面板采用PVC贴膜，具有数码管显示器、触摸按键和指示灯。用软件控制探测器中重锤的升降过程。
重锤固定在开关磁阻电机的钢丝绳上，依靠自身重力随绕线轮垂直下降某一单位高度，以提升电流的大小判断重锤是否接触到煤粉表面。若提升电流很小，说明重锤已接触到煤粉，这时发出脉冲信号，电机反转至初始位置，使重锤提升至仓顶复位，防止重锤被煤、粉淹埋。若煤或粉很少时，重锤继续下降，分段采集信号，直到触及到煤或粉位，或重锤下降到煤、粉位极限位置，再将重锤提到复位位置并报警，限位开关闭合，电机断电，一次检测结束，等待下一次检测指令。
以单片机（8098）为主控单元的二次仪表接收光电开关输送的磁阻电动机转数信号，经数据处理后进行料位的数字显示。
（二）特性
SE-2重锤式料位传感器的主要特性如下：
①可在加料过程中自动连续运行，不受物料的塌落埋压及冲击等影响；
②其结构可靠性高，适应温度高、灰尘大和烟雾浓的恶劣环境；
③具有手动随时检测和自动定时检测两种功能；
④具备上、下限值报警功能和循环显示多点料位高度功能；
⑤有可恢复性故障的恢复处理功能，不可恢复故障的重锤复位及故障信号的显示报警；
关键词 运动粘度；毛细管；自动测量；单片机
中图分类号TP216 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）57-0174-02
油品运动粘度测量技术在生产过程中占有十分重要的位置，其测量方法大体分为手动和自动两种测量方法。手动测量步骤繁琐且测量精度低；而目前自动测量技术大都电路复杂且设备制作成本高。本文所论述的全自动油品运动粘度测量装置是在传统的毛细管测量技术基础上设计的，产品电路设计简单，测量精度较高，首先介绍下全自动油品运动粘度测量装置的构成及测量过程。
1 全自动油品运动粘度测量装置构成及测量过程
1.1 测量基本原理
本文设计的测量装置，采用毛细管作为测量元件，其工作原理是基于伯塞尔方程进行测量的。其中运动粘度，其中c是粘度系数（mm2/s2）；t是试样的平均流动时间（s）；vt是运动粘度（mm2/s），粘度系数c是常量，测量时只需要测量出样品流经测量球的时间t值，然后依据公式便可以方便地计算出运动粘度值[1]的。
1.2 全自动油品运动粘度测量装置
全自动油品运动粘度测量装置主要由样品测量管路系统；样品位置检测电路；键盘、显示控制电路；油浴温度控制系统和电源等组成。装置的主要特点是粘度测量范围宽（0.5mm2/s~5 000mm2/s)/40℃；（0.5mm2/s~2 000mm2/s）/100℃，测量精度高（0.001），适用于透明、半透明与不透明油品运动粘度的测量，该装置还具有自动清洗和自动干燥处理功能。
1.3 样品测量管路系统构成及测量过程
样品测量管路系统[2]是待测样品注入、测量及排出的管路系统，包括：玻璃管测量球1个；二位三通电磁阀10个；样品流通导管若干米；泄气阀1个；真空瓶1个；真空泵1个；有机溶剂清洗液两瓶等，该测量管路系统的主要功能是完成样品采集、样品检测、管路清洗和干燥等项工作，这些工作都是在微控制器的控制下自动完成的，下面介绍油品测量管路系统的工作过程。
1.3.1 自动采样过程
自动测量[3]操作的第一步是采样，采样管路如图1所示，首先将电磁阀6接到1位置，阀4接到1位置，阀二接到1位置，阀一接到1位置。保证采样管路畅通。并将微量排气阀稍微打开点，起到减压作用。然后通过控制器启动真空泵，将样品吸到测量球毛细管1中。接着微控制器监测测量球C点状态，当样品到达C点时，微控制器发出指令停真空泵。
1.3.2 自动控制停泵
当被测样品油到达C点时，真空泵停止工作，同时控制电磁阀4接到2位置，电磁阀2接到2处，电磁阀3接到2处，目的使三支测量球中的样品依靠重力下降，为获得测量时间t做准备。
1.3.3 运动粘度时间t值的自动测量
待测样品在毛细管1中下降时，微控制器监测A点，到达时，微控制器启动计时器计时，当样品到达B点时，微控制器停止计时。这是的计时时间为t1，然后通过微控制器保存t1的值。然后利用测量球中的样品进行第二次、第三次测量时间t2、t3值。重复三次得到三个时间值，即t1、t2、t3。然后求取其平均值，再将平均值与t1、t2、t3比较，依据公式算出相对误差，将该误差值与设定值误差相比较，去掉误差最大的时间t'值，取余下的两个时间，再取这两个时间值的平均值，该值便是最后的测量时间，然后依据公式计算运动粘度的大小。
1.3.4 测量管路的自动排空过程
经过三次自动测量，获得测量时间值，得到了运动粘度vt值。然后，需要排出管路及测量球中的被测样品，对管路进行自动清洗和干燥，以保证下次测量时被测样品的纯净度。
2 硬件电路设计
硬件电路部分主要包括：传感器及其转换电路，C8051单片机电路等。被测样品液面检测传感器及其转换电路是将样品液面的信号检测出来，通过转换电路转换为开关量信号送给微控制器。
液面检测传感器及其转换电路：
液面检测传感器及其转换电路主要包括：三组电容式传感器[4]、变压器反馈式振荡器、选频放大器和电压比较器组成。电容式传感器有两个极板，安装时将两个极板分别放置在毛细管外部两侧，共有三组电容式传感器分别放置在测量球A、B、C三点处，如图1-1所示。当被测介质在测量球中上升穿过电容器两极板时，会引起电容式传感器介电常数ε发生变化，即ε值增加；反之，当介质液面下降时，介电常数ε值会减少。依据公式计算Cx值，因此检测样品液面的位置就转换成检测电容器Cx值的变化量。将Cx与电感线圈组成振荡电路来测量Cx值的大小。
3 实验数据分析与处理
全自动运动粘度测量装置与手动测量装置在结构上有很大不同，且测量精度高，下面看下实验数据对比。
3.1 恒温时间的确定
全自动油品运动粘度装置取样数量取决于油品运动粘度的大小，粘度越大量就越小，采样时间就越短些。取样数量的不同将影响油品在浴中的恒温时间，所以对全自动油品运动粘度测量装置测定不同温度下油品的恒温时间与国际标准中规定的恒温时间进行了比较，以便找出合适的自动粘度的操作条件，这里将手动粘度仪与全自动运动粘度自动测量装置的恒温时间作下比较，通过实验结果分析，全自动运动粘度自动测量装置在测定20℃运动粘度时，恒温时间在4min以上。
3.2 手动测量和全自动运动粘度自动测量装置测量结果比较
选取具有代表性的不同粘度范围的几种油品分别用两种仪器进行测定，测定结果如表1所示。
由表1可以看出，两种粘度仪测定结果的差值符合GB/T265-88规定的再现性要求，大部分测试结果也符合重复性的要求。
总之， 文章采用毛细管测量运动粘度的基础上，利用电容式传感器及其转换电路检测液面的位置，输出开关量电信号，利用C8051单片机完成计时和数据处理等工作，利用键盘复位，并且针对每一种功能进行测试，达到了设计的要求。全自动油品运动粘度测量装置比国外同类产品降低了设计成本，对国内油品运动粘度测量技术的发展起到积极的推动作用。
参考文献
[1]GB/T 265-88,石油产品运动粘度测定法和动力粘度计算法[S].
[2]陈刚，朱震刚，水嘉鹏.利用强迫震动摆方法测量液体粘度系数的原理[J].物理学报，1999(3)：421-424.
【关键词】 温湿度传感器 原理 故障 维护 记录处理
温湿度传感器是一种能连续测量温度和湿度变化的遥感仪器，在日常测报工作中，是容易出现故障的仪器之一。为满足对观测记录“代表性、准确性、比较性”的要求，提高观测数据的质量和可用性，有必要对温室传感器的维护进行研究。
1 温湿传感器的工作原理
芬兰Vaisala公司生产的HMP45D温湿度传感器是目前我国气象部门地面气象观测网内自动气象站上统一使用的测量气温和相对湿度的传感器。该传感器采用铂电阻感应元件（Pt100）测气温，是无源的电阻输出；采用电容式薄膜聚合物感应元件直接测相对湿度，是有源的0-1V电压输出。温度和湿度感应元件装在传感器头部带有滤膜的保护罩内。
（1）温室传感器一般安装在观测场内（室外），是可同时测量空气温度和湿度的遥感仪器。本站使用的为HMP45D的温湿度传感器，其铂电阻温度传感器是一个用光刻工艺制作的微形铂电阻，利用铂电阻正比于温度的变化的原理，通过测量铂电阻值而测得温度值。
（2）电容式薄膜聚合物湿度传感器是利用薄膜聚合物材料吸湿后介电特性发生变化的原理来测量相对湿度的。其是以薄膜聚合物为介质，用真空表面喷射镀膜工艺在其上制作能透过水分子的表面膜电极并做成一个微形薄膜电容器。该电容器的电容量随薄膜聚合物介质吸附水分子的多少（取决于环境湿度的大小）而变化，再用测量电路将电容量的变化转换成输出电压（或电流）的变化，即通过测量输出电压（或电流）测得相对湿度。
传感器的供电电压一般为7-35VDC。感应部件位于头部，外有一层滤膜保护。测温部分为标准4线制铂电阻测温并能满足PT385测温标准，测湿部分为湿敏电容湿度传感器，输出信号为0-1V，对应湿度为0-100%。
2 常见的故障及维护
2.1 空气温度超差或异常
原因分析：（1）线路松动或断开，（2）传感器坏，（3）因雷击，防雷板1-4通道损坏，（4）采集器内1-4通道损坏。
解决方法：
（1）检查温室传感器各连接线处是否牢固，是否有断路现象，可用万用表蜂鸣档进行测量，如线路有故障，可更换线路。
（2）传感器是否损坏，可用测量法（用万用表测量，并通过公式计算得出）、对比法（将传感器与温度表置于同一环境中进行对比观测）进行判断，最直接的方法是替代法，即将一只新的传感器接入采集器，如数据正常，可判断该传感器出现故障。采用替代法，也同时可判断出该传感器的各线路是没有故障的。
（3）将防雷板上气温通道与地温通道进行对调，看对比结果，判断防雷板上气温通道和采集器上的气温通道是否有故障。
2.2 空气温度缺测或者示值为-24.6度，长时间不变
此故障一般为温度传感器断线或防雷板上气温接线接触不良所致，可用测量法进行判断故障位置，进行修复。
2.3 相对湿度持续为100%或缺测
原因分析：（1）线路接触不良或断开；（2）传感器坏；（3）长时间高湿天气，传感器反应迟钝；（4）过滤罩被尘埃污染。
解决方法：
（1）用万用表进行测量，判断故障位置进行修复。
（2）更换传感器。
（3）利用电吹风，降低传感器湿度并稳定后，再重置百叶箱。
（4）清洁过滤罩或更换过滤罩。
（5）自动站和人工观测的值进行对比。
3 温湿度传感器的日常维护
（1）保持百叶箱内通风良好，定期清扫灰尘；在清洁维护时，应选择阴天等适宜的天气，以免造成采集数据的异常。
（2）防止温室传感器头部保护滤膜罩被灰尘污染，如发现异常应及时拆开传感器头部的网罩用毛刷等对其进行清洁，或及时更换过滤罩。
（3）定期检查传感器的各连线处是否松动，螺钉要紧固，保证接触良好。
此外，每日20时应将自动站的温湿度和人工观测值进行对比，若两者比较，温度的差值在1.0度以内，湿度相差在10%（根据各省规定）以内时，可视自动站传感器正常，若比较后，温度超过1.0度，湿度超过10%，则视为温湿度超差，应及时进行维护。
参考文献：
[1]中国气象局.地面气象观测规范[S].北京：气象出版社，2003.
水位测量首先要确认测量的目的，是实时监测水位的高度还是在某一位置报警，以确定是选择开关量还是连续量传感器，最简单的有水位探针。
1、电容式。
电容式水位开关原理：是采用侦测水位变化时所引起的微小电容量差值变化，由专用的ADA电容检测芯片进行信号处理，可以输出多种信号通讯协议。
2、电子式。
电子式水位开关原理：通过内置电子探头对水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当判断到有水时，芯片输出高电平24V或5V等，当判断到无水时，芯片输出0V。
3、电极式。
电极式水位开关原理：电极式水位开关由一次电极式传感器和二次控制器组成一体式测量系统，液位开关安装在容器的顶部或容器的壁上，电极插入液体。
4、光电式。
光电式液位开关原理：它使用红外线探测，利用光线的折射及反射原理，光线在两种不同介质的分界面将产生反射或折射现象。
（来源：文章屋网 ）
1设计思想
随着科学技术的发展，传感器的应用越来越普及，在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器，但是很多学生会觉得传感器很神秘，是遥不可及的高科技产品。笔者希望能将学生实验和教师演示实验结合起来，通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作铺垫。
在教学内容的设计方面，注重知识问题化，问题层次化，让不同层次的学生都有思考与讨论、交流与合作的空间；关注学生对知识形成过程的理解，让学生亲历思考和探究的过程，领悟科学探究的方法。
2教材分析
本节课介绍传感器的概念和一些制造传感器所使用的敏感元件，使学生对传感器的知识有一个初步的了解，体会物理知识在生活中的应用。为传感器的应用和利用传感器制作简单的自控装置作铺垫。
3学情分析
学生在物理学习中，一般会做大量的习题，有较强的解题能力。但是，当遇到具体的实际问题和一些简单的有科技含量的产品时，却常常不会分析和处理。教材中即使安排了数量有限的物理实验和有关高新技术发展的阅读材料，在实际教学中往往也难以落实。因为学生对传感器了解较少，所以教学时应避深奥的理论，消除传感器的神秘感。学生之所以会“怕”，就是因为不熟悉，接触多了，问题就很容易解决了。在教学中多举些例子并多做实验，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。
4教学目标
4.1知识和技能
（1）了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义。
（2）知道常见的传感器的类型。
（3）了解两种常见的敏感元件光敏电阻、热敏电阻及其工作原理。
4.2过程和方法
学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。
4.3情感态度价值观
（1）体会传感器在生活、生产、科技领域中的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的视野。
（2）通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。
5教学重难点
（1）重点：理解并掌握传感器的3种常见敏感元件的工作原理。
（2）难点：分析并设计传感器的应用电路。
6教学仪器
音乐茶杯、光敏电阻、热敏电阻、光敏电阻演示仪、开关、导线、多用电表、手电筒、小灯泡、干簧管、磁铁等。
7教学方法
实验法、探究法、讨论法等。
8教学过程
8.1引入课题
上课前，先让学生观看一段机器人大赛的视频，机器人在自动搜寻火源。
看完这个视频，学生心中都有一个问题：机器人是如何自动找到火源的呢？进而引入课题。
8.2新课教学
师：“在大家看来传感器非常神秘，其实传感器对我们而言再熟悉不过了，因为我们人体本身就是传感器。”
人类制造的传感器，就像人的感觉器官一样，也可以感觉到外界的信息，然后把它转化为生物电信号。其实传感器的工作原理就是一感、二传。它可以感受到外界的非电学量，然后把它转为电学量。
（1）问题1：传感器的定义是什么呢？
传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。
师：在我们的生活中，传感器的应用其实非常广泛，请大家看如图1所示的图片。这些物体中有哪些是你们认识的？
生：图片1是摄像头，可以将图像画面转化为电信号。
生：图片5是火灾报警器，发生火灾的时候可以发出报警声。
生：图2是一个测温仪，它不需要和人体接触，就能测出体温。
生：图6是电子秤，可以称量物品的重量。
师：同学们说得都很好，上面图片中的这些物体都应用了传感器的原理。图片1和5是光电传感器的应用，图片2是温度传感器的应用，图片3是声音传感器的应用，图片4是电容传感器的应用，图片6是力传感器的应用。
演示实验1：教师出示一只音乐茶杯，茶杯平放于桌上时，无声无息，提起茶杯便播放悦耳的音乐。
（2）问题2：音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？
学生猜测：在茶杯底部，所受压力发生改变。
实验探究：提起茶杯，用手压杯的底部，音乐并没有停止。
学生猜测：是由于光照强度的改变。
实验探究：用一个纸盒挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐茶杯受光照强度的控制。这是因为在音乐茶杯的底部有一个光敏电阻。
（3）问题3：光敏电阻能够将什么量转化为什么量？
生：光敏电阻能够将光学量转化为电阻等电学量。
学生实验：
①实验目的：设计一个电路，使得小灯泡的亮度随手电筒的光照强度发生变化；
②实验器材：干电池(4节)、小灯泡、光敏电阻、手电筒、导线等。
师：同学们刚才设计的其实是一个光电报警电路，当光敏电阻所受光强发生变化时，小灯泡就会发光报警。接下来我来演示一下如图2所示的光电报警电路。
演示实验 ：展示光电报警电路。
（4）问题4：请同学们来解释一下这个光电报警电路的工作原理？
生：当光敏电阻受到光照时，阻值减小，通过电磁继电器的电流增大，电磁继电器具有了磁性，将继电器上方的衔铁吸引下来。使得接触点由a、b接触变为b、c接触，从而将1、2接线柱的电路接通，蜂鸣器发出了鸣叫。
师：因为光敏电阻的阻值随光强发生改变，我们常用光敏电阻做光电传感器的敏感元件。那么温度传感器的敏感元件是什么呢？接下来，我们来介绍热敏电阻。
（5）问题5：热敏电阻的阻值与温度变化有什么关系？
生：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
（6）问题6：热敏电阻能够将什么量转化为什么量？
生：热敏电阻能够将温度转化为电阻这个电学量。
经过进一步研究发现，热敏电阻的阻值随温度的变化遵循如图3所示的变化规律。
在电学部分学习过小灯泡的欧姆定律，我们知道小灯泡的阻值随温度的增大而增大。小灯泡的灯丝是由钨丝制成的，经研究发现，金属材料的阻值都随温度的升高而增大，有一一对应的关系，因而可以用来制作温度计，把它称为金属热电阻。
（7）问题7：热敏电阻和金属热电阻有何异同？
生：热敏电阻和金属热电阻的阻值都随温度发生变化。但是热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，金属热电阻的阻值随温度的升高而增大。而且在一定范围内，热敏电阻随温度的变化比较灵敏。
（8）问题8：电容式位移传感器（见图4）能够将什么量转为什么量？
生:电容式位移传感器能够将位移这个力学量转化为电容这个电学量。
师：当被测物体的位移发生改变时，电容器极板间的电介质发生改变，从而改变电容器的电容值。我们知道影响电容的因素除了电介质还有板间距d，以及正对面积S。下面介绍几类电容器传感器的应用实例，如图5~9所示。
当电容器的动片转动时，电容器的正对面积发生改变，从而改变了电容的值。将它制成传感器，就可以将转过的角度这个非电学量转化为电容这个电学量。
图6改变正对面积2
当导电液体的深度发生改变时，电容器的正对面积发生改变。如果将它制成传感器就可以将液体深度这个非电学量转化为电容这个电学量。
当施加在可动电极上的力发生改变时，电容器间的距离发生改变，从而改变了电容的值。如果将它制成传感器就可以将力这个非电学量转化为电容这个电学量。
声波使得电容器的金属薄膜发生振动，电容器间的距离发生改变，从而改变了电容值。如果将它制成传感器就可以力这个非电学量转化为电容这个电学量。
现在的触摸式手机大多数都使用了电容屏，当按键的上的压力发生改变时，电容器间的距离发生改变，从而改变了电容值。如果将它制成传感器就可以力这个非电学量转化为电容这个电学量。
师：最后，我们再来看这样的一个盒子，这个盒子的内部结构我们不清楚，但是在盒子的旁边有一个小孔，小孔处露出一个灯泡。当我把一个磁铁靠近盒子时，灯泡发光了。谁能解释一下这是什么原因呢？
生：我觉得里面有一个磁性开关，当磁铁靠近开关时，开关就闭合了。
生：我觉得里面有一个线圈，当磁铁靠近时，产生了感应电流，所以灯泡就发光了。
生：我觉得里面有一个对磁敏感的元件，当磁铁靠近时，它的某个量发生改变，从而灯泡发光了。
师：同学们刚才讲的都非常的好，这个盒子里面的确有一个对磁敏感的元件，它叫做干簧管，如
图10干簧管
当磁体靠近干簧管时，两个簧片被磁化，相互吸引而接通，干簧管能起到控制开关的作用。
（9）问题9：干簧管能够将什么量转化为什么量？
生：干簧管能够将磁感应强度这个磁学量转化为电路的通断。
师：我们今天学习了传感器的概念，常见的传感器的类型，以及常见的敏感元件的工作原理。同学们思考一下家庭中有哪些物体应用了传感的原理。
8.3教学反思
指纹识别技术是利用人体指纹的唯一性与稳定性特点，通过光电技术、模式识别和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和比对，从而自动、迅速、准确地鉴别出个人信息。随着互联网、移动支付的发展，以指纹识别为代表的多种生物识别技术成为网络时代鉴别身份的重要手段。
一套完整的指纹识别产品或方案包含三个必要元素：指纹传感器、指纹算法处理芯片和指纹算法软件。从上世纪80年代至今，指纹识别关键技术已经发展得相当成熟。在图像采集方面，已经形成光学、半导体、超声波等多种性能良好的主流传感器；在指纹算法方面，指纹算法根据应用需求不断优化，可实现纯特征点比对、特征点加图片比对和纯图像比对等多种比对方式，并在拒登率、拒真率、认假率等关键指标上得到很大提高。目前，指纹识别技术已在考勤、门禁、移动支付等行业取得良好的应用效果。
作为国内领先的信息安全芯片提供商，大唐电信旗下大唐微电子技术有限公司（以下简称：大唐微电子）运用其自身在IC设计方面的技术和经验，率先将国密算法和芯片安全防护技术应用于指纹识别领域，相继推出多款指纹算法芯片、指纹传感器及一体化解决方案。
大唐微电子指纹算法芯片（DMT-FAC-CG4Q）采用32位CPU内核，主频达100MHz以上，配置512KB Flash，144KB SRAM，集成了国际加密算法和国密安全算法，支持多种接口；运用多种芯片安全技术，芯片安全级别达到EAL4+、银联芯片安全认证、国密二级、FIPS认证等金融级安全要求。大唐微电子指纹传感器包括小面阵、大面阵、手机专用小面阵、滑动式和光学多种传感器类型，无论面对干、湿手指，均具有快速、精准识别的特性。
目前，大唐微电子的指纹识别芯片已成功在指纹仪、指纹盾、指纹Key等行业安全产品中商用。
手机终端领域
指纹识别在手机上的应用已经十分普及，指纹识别正逐步发展成手机的标配。2015年，中国指纹识别市场传感器销量超过7000万颗，其中超过6000万颗应用在手机上。预计2016年中国智能手机市场应用的指纹识别传感器数量将突破1.2亿颗。
智能手机上的指纹应用大部分采用TEE方案，即将指纹比对算法和应用加载到基带芯片中，由模组厂商对传感器进行封装、coating或者盖板，再提供给手机终端厂商。智能手机对传感器的需求不同于其他行业：尺寸上相对较小，一般在160×160pixels或更小；识别速度要求更高，解锁时间在200ms以内。大唐微电子小面阵电容式传感器（DMT-FS-PB4Fs）分辨率508DPI，像素64×114pixels，采集面积6×6mm，满足当下智能手机的应用需求。
金融领域
金融领域安全性要求较高，指纹识别应用也相对成熟。银行的机密资料保险柜、金库门禁、柜员业务授权和客户身份的核验基本上都采用了指纹锁、指纹门禁、指纹仪等设备。
USB Key作为使用量很大的网银交易安全工具，存在着密码泄露的安全隐患，指纹Key可以解决这些问题。但由于电容式指纹传感器的价格较高，指纹Key并没有在银行得到大规模使用。现阶段指纹Key主要在政府、军队等保密机构使用。
金融IC卡在现实生活中遇到过多种安全问题，只要密码泄露，卡就有可能被人盗取盗刷，将指纹功能加入到金融IC卡中，实现人和卡的绑定，卡的功能必须在被指纹授权后才能开启，从而保障卡在遗失或者密码泄露情况下不被盗取盗刷。
此外，指纹POS机，VTM自助办理终端也是指纹识别在金融领域的主要应用。
二代身份证核验终端
公安部从2012年开始制定二代身份证指纹采集标准，同时出台身份证的办理、补换证采集指纹的规定，如今带有指纹信息的身份证已接近3亿张。近期，公安部公布了居民身份证指纹应用算法提供商，预示着指纹识别身份证将正式落地执行。二代身份证指纹核验，即是通过指纹核验实现人证合一，将在酒店入住、火车机场、出入境、教育考试、社保领取等需要实名核验的场所应用。
大唐微电子已开发出完整的二代身份证指纹核验解决方案，方案由软件和硬件两部分组成：硬件方面包括自主研发的射频读卡芯片DMT-CTSS-CL20、指纹算法处理芯片DMT-FAC-CG4Q及208×288pixels电容式传感器DMT-FS-PB4F；软件方面主要是指纹比对算法，目前，大唐微电子正积极和入围的厂商合作。
其他领域
指纹识别技术在门锁箱包领域的应用较早，早期主要使用光学传感器，现在开始向电容式传感器切换。随着智能家居、智能社区的概念不断深入，指纹识别技术已逐渐在社区停车场、出入管理、物业缴费等多项系统中使用。
关键词：压力，差压式, 精度，电容式。
中图分类号:TQ011 文献标识码：A
合成氨生产中氨分离器和冷凝塔的液位检测和自动控制，关系到生产的安全和稳定。液位过高，容易带液到合成塔，轻者引起合成塔触媒中毒，使触媒失去活性，严重地将损坏触媒。而液位过低，高压气体容易窜入低压系统，引起设备超压，造成恶性事故。可见，对氨分离器与冷凝塔的液位检测就显得尤为重要。以下就以我们厂的老合成塔的的氨分离器液位和冷凝塔液位测量设备来说，2013年以前采用高静压差压变送器液位计，以及改造后采用均电容式变送器液位计为案例分析。
高静压差压变送器液位计介绍
高静压差压变送器液位计属于成熟的通用性很好的仪表，利用容器内的液位改变时，由液柱体产生的静压也相应的变化的原理。由于氨分、冷凝塔并不是简单的容器，工作压力高达32Mpa，都装有不同结构的内件，气相、液相取样口如何处理才能真实反映气液分离两侧压力，同时液相引出口也容易堵塞的问题。为了改变这种现象，除使用高静压差EJA变送器外，我们还在变送器与气液相根部之间安装了高压均衡筒。均衡筒的高度等同于气、 液相之间的距离。实际上浮筒内的液位就是我们要测液位的高度，即我们需要测量液位的量程，为什么要安装此均衡筒？因为我们所测的设备内液体的压力很高，大约在30Mpa左右，如果没有均衡器，设备内的脏东西，如油水、触媒粉等就会直接进入变送器，造成堵塞和破坏。因为变送器膜盒小有死角，堵塞物不容易排净，从而使仪表指示不准和膜盒易烂。再有在开停表的时候容易造成变送器单边受压，长此下去，膜盒也会容易坏，同时因导压管直接与高压设备相接对仪表的日常维护和安全有很多不便和不安全。均压筒装上后，油水、触媒粉沉积在均压筒内，出现问题时，可直接排均压筒，装均压筒压力平衡后，对变送器没有损坏也不会造成变送器单边受压。有效保证了变送器的使用周期和仪表工的安全带来很大保障。加上匹配的变送器，而智能式变送器具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿，可自诊断，通电后可对传感器进行自检，以检查传感器各部分是否正常，并作出判断。
2电容式变送器液位计介绍
氨分离器液位和冷凝塔液位测量计虽然采用了高压均衡器，减少导压管堵塞次数，但是由于高压，油水，触媒粉等因素，还是会有堵塞，而且均衡器的使用有时也不能准确的测量出液位，会出现假的液位，对工业操作影响较大。随着科技的发展，工业上的设备也在做着日新月异的更替，各种更加优秀，更加精密的仪表设备也层出不穷，所以我们有了更好的一种选择，电容式液位计。根据电容感应原理，当被测介质浸汲测量电极的高度变化时，引起其电容变化。它可将各种物位、液位介质高度的变化转换成标准电流信号，远传至操作控制室供二次仪表或计算机装置进行集中显示、报警或自动控制。测量原理如图所示：
其中:1是导电圆柱体
2是绝缘材料
3是测量筒或容器壁
内电极1和测量筒壁3形成一个同轴电容C
C = k1*h2+ k2*h1
H = h1+ k2
C=k1*（H-h1） + k2*h1 = k1×H +（k2- k1）*h1
其中： h1为液面高度
k1*h2为气体部分形成的圆柱电容
k2*h1为液体形成的圆柱电容
k1、k2是与被测介质性质和电容结构有关的常数
由此可见，1和3之间的电容与液位成线性关系，检测探极电容的变化即可测量液位高度。
电容式变送器由信号处理器、安装法兰、探极构成。探极由不锈钢电极和外套聚四氟乙烯绝缘管组成。可适用于高温、高压、强腐蚀，易结晶，防堵塞，防冷冻及固体粉状、粒状物料。它可测量强腐蚀型介质的液位，测量高温介质的液位，测量密封容器的液位，与介质的粘度、密度、工作压力无关。尤其适合在强酸强碱和高温（200℃）介质中使用。探头使用温度达到-200～250℃。具有更大的温度跨度，更能适合不同温度要求的环境。工作压力为0～32MPa，而且精度可达到0.5﹪，绝度满足了现在的合成塔氨冷器和冷凝塔的技术指标。要注意的是，探极具有一定刚性的软电极，具有一定的柔软性，所以对于氨分离器内插时候需要特别注意。首先，确定探极需要弯曲的方向，在这个方向上的探极顶端绑好牵引铁丝（细扎线）。铁线的牵引方向一定在与探极的弯曲方向一致。铁丝的强度要够，不能用铜线，捆绑要牢固，在探极上穿上透镜垫后，牵引铁线随探极一起插入塔内，此时变送器表头、探极保持固定的方向，不能随意旋转，慢慢穿入塔内，据手感探极受阻时，看探极余在塔外的长度与塔内径、壁厚等数据可判断探极是否已插入到塔内对面的塔壁。此时，将探极后退离开塔壁，用力拉牵引铁丝，同时，用力将探极向里穿，手可以感觉探极弯曲向上，穿行一段后，剪断牵引铁丝，探极上铁丝随探极全部进入塔内。装好法兰等，安装即可。
电容式变送器输出为二线制4～20mA，4～20mA模拟电流信号输出可轻易搭配各种控制仪表。相比较而言，电容式液位计有着更明显的优势，对环境有更好的适应性。再对照合成氨冷器和冷凝塔现在的状况，电容式液位计无疑是更好的选择。
总结
综上所述，经过我的对比与分析，电容式液位计有着更明显的优势，在安全，仪表搭配，维护等方面有着更加适合我厂现在冷凝塔的需求。我人认为如果采用电容式液位计将会更加有利于现场的生产控制与我们的仪表维护。随着科技技术发展日新月异，作为一名优秀的仪表工人，需要孜孜不倦学习，了解新技术的动态，才能为化工安全稳定生产保驾护航。
参考文献