發布日期：2022-10-09 點擊率：115
37 1 電氣電子教學學報 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
， ，
劉延東 周恩學 董德帥
( ， )
遼寧大學輕型產業學院 遼寧沈陽
: ， Comsol Multiphysics 。
摘要 本文首先通過麥克斯韋方程推導出電容傳感器檢測的理論基礎 以及采用 軟件仿真電容傳感器物理性質的方法 從
。 ， 。
而辨別出封閉圓柱體內介電物質的形狀及位置 在此基礎之上 本文還對比分析了封閉圓柱體內放入不同介電常數物質檢測出的電容值 驗
Comsol Multiphysics 。 。
證了 仿真電容傳感器的有效性 也證明了此軟件是學習工程電磁場過程中很好的輔助工具
: ;Comsol Multiphysics ;
關鍵詞 高斯定理 軟件 電容傳感器
中圖分類號:TB972 文獻標識碼:A 文章編號: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
1
基于電容傳感器的虛擬位移計設計
?
劉
沈陽航空航天大學自動化學院
?
摘要：
這次課設的要求是設計了一個虛擬位移計電路，顯示位移為
X.Xmm
，實現
數據采集、曲線擬合、數據處理、閾值比較能等功能，主要解決方案是利用電容
傳感器將被測位移轉化成兩極板間面積的變化導致電壓的變化，
將實驗得到的數
據寫入曲線擬合程序得到擬合曲線及其一般方程式
y=a*x+b
的系數
a
、
b
，將采
集到的電壓數據與系數
a
、
b
進行數據處理得到位移值，并判斷是否超出預設范
圍，超出則報警，優點是設計原理簡單，便于操作，數據采集率高，測量精確，
能準確達到要求的目的。
關鍵詞：
電容傳感器，虛擬位移計，
LabVIEW
，曲線擬合
0.?
前言
?
虛擬儀器技術是基于計算機的儀器及測量技術。
與傳統技術不同，
虛擬儀器
技術指在包含數據采集設備的通用計算機平臺上，
根據需求可以高效地構建起形
形色色的測量系統。
虛擬儀器是基于計算機的儀器。
計算機和儀器的密切結合是
目前儀器發展的一個重要方向。
這種結合有兩種方式。
一種方式是計算機裝入儀
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算機，
以通用的計
算機硬件及操作系統為依托，
實現各種儀器功能。
虛擬儀器突破了傳統儀器的局
限，
能充分發揮計算機的能力，
有強大的數據處理功能，
將許多信號處理的方法
方便地應用于測量中，
為自動測量和網絡化測量創造條件，
創造出功能強大的儀
器。
用戶還可以根據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
器可以測量各種不同的物理量，
并將它們轉換成電信號，
計算機通過數據采集卡
獲得測量數據，
軟件則控制著整個測量系統，
同時還對原始數據作分析處理，
并
將最后結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，
測量范圍為
-2mm
到
2mm
，
擬合出位移與電壓的關
系曲線，
?
并能設定閾值，具有超值報警功能。
?
1.?
總體方案設計
?
整個電路的工作原理是利用電容傳感器將被測位移轉化成兩極板間面積的
變化導致電壓的變化，
將實驗得到的數據擬合得到擬合曲線及其一般方程式的系
數
a
、
b
，同時由
PCI-NI6024E
數據采集卡將采集到的電壓數據與系數
a
、
b
進行
數據處理得到位移值，并判斷是否超出預設范圍，超出則報警。
?
虛擬位移計的原理框圖如圖
1
所示
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電容傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
審核
。
電容傳感器是指將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。實際上，它本身（或和被測物體）就是一個可變電容器。
[1]
中文名
電容傳感器
外文名
Capacitive Transducer
實 質
一類傳感器
特 點
結構簡單等
應 用
測量金屬表面狀況等
學 科
電子工程
目錄
1
原理
2
特點
3
應用
4
改善方法
電容傳感器原理
編輯
語音
由物理學知識可知，在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為
式中，
——真空的介電常數，
=
；ε——極板間介質的相對介電系數，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，當被測量δ，A或ε發生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數不變，僅改變另一個參數，就可以把該參數的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉換為電信號輸出。根據電容器參數變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三種，其中極距變化型和面積變化型的應用較廣泛。
[1]
電容傳感器特點
編輯
語音
電容傳感器有如下一些特點：①結構簡單；②動作時需要能量低，由于帶電極板間靜電吸引力很小（約幾個
N），因此電容傳感器特別適宜用來解決輸入能量低的測量問題；③動態特性好，電容傳感器的相對變化量只受線性和其它實際條件的限制，如果使用高線性電路時，電容變化量可達100%或更大；④自然效應?。虎輨討B響應快以及能在惡劣的環境下工作。但由于電容傳感器的初始電容較小，受引線電容、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性。
[2]
電容傳感器應用
編輯
語音
電容傳感器可以直接測量的非電量為：直線位移、角位移及介質的幾何尺寸（或稱物位），直線位移及角位移可以是靜態的，也可以是動態的，例如是直線振動及角振動。用于上述三類非電參數變換測量的變換器一般說來原理比較簡單，無需再作任何預變換。用來測量金屬表面狀況、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，使用時常將被測物作為傳感器的一個極板，而另一個電極板在傳感器內。近年來已采用這種方法測量油膜等物質的厚度。這類傳感器的動態范圍均比較小，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、結構的合理性及寄生參數影響的消除。精度達到0.1μm，分辨力為0.025μm?？梢詫崿F非接觸測量，它加給被測對象的力極小，可忽略不計。測物位的傳感器多數是采用電容式傳感器作轉換元件。電容式傳感器還可用于測量原油中含水量、糧食中的含水量等。當電容傳感器用于測量其他物理量時，必須進行預變換，將被測參數轉換成d，S或ε的變化。例如在測量壓力時，要用彈性元件先將壓力轉換成d的變化。
[3]
電容傳感器改善方法
編輯
語音
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性誤差，可采用以下措施：①由于當d減小時可使電容量加大從而使靈敏度增加，但d過小容易引起電容器擊穿，一般可以在極板間放置云母片來改善；②提高電源頻率；③用雙層屏蔽線，將電路同電容傳感器裝在一個殼體中，可以減小寄生電容及外界干擾的影響。
[2]
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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，其根據在傳感器電極和GND或人手之間產生的電容變化來檢測物體。傳感器電極可以是任何導電金屬，因此可以設計低成本且高度靈活的系統。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的無源元件之一，是通過靜電電容來積蓄...
2019-08-230
參考資料
1.
張洪亭，王明贊編．測試技術基礎：東北大學出版社，2013.12
2.
李田澤主編．傳感器技術設計與應用：海洋出版社，2015.05
3.
劉迎春，葉湘濱編著．傳感器原理 設計與應用 第5版：國防工業出版社，2015.06
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