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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
更大的溫度范圍；
更大的濕度范圍；
駕駛與乘客因長期接觸轉換器與按鈕所造成的臟污。
圖1：基本的電容式傳感器
今日車用的按鈕與轉換器不僅比過去多了許多，還要能具備輕易建置的特性，以符合日趨人性化控制接口的需求，另外，還必須具備成本效益，避免采用密封封閉式的機械開關。因此，電容式觸控接口（capacitive touch switches，或稱為cap sense）是一個非常具有潛力的取代方案。電容式觸控接口技術不僅無須采用機械式控制元器件，還具備整合人性化接口的功能，十分符合汽車工業對于可靠性與成本效應的需求。
如圖1所示，電容式接口主要是由兩片相鄰電路極板（traces）所構成的電容器：而依據物理法，電容效應是存在于兩片電鄰線路極板之間的。如果有任何導電性的物體（例如：手指尖）靠近這兩片極板時，平行式電容（parallel capacitance）就會與傳感器產生耦合(couple)效應。因此，整體電容會隨著手指尖觸碰電容傳感器而增加；當移開手指時，電容則會隨之減少。所以只要利用一套電路系統來測量電容的變化，就可以判斷手指尖是否有碰觸到兩片相鄰的電路極板。
電容式傳感器是由兩片電路極板與一個機板空間所構成。這些電路極板可為電路板的一部分，上面直接覆蓋著一層絕緣層。電容式傳感器也可以采用玻璃印刷電路技術植入車窗玻璃，并應用于后擋風玻璃的除霧器上。另外，電容式傳感器不僅可以隱藏在曝曬印制圖案的背面，還能夠順應各種曲面的弧度，廣泛地應用于汽車的各種功能上。
圖2：典型弛張振蕩器拓撲
建構電容式界面的要素：
一組電容器；
電容量測電路系統；
從電容值轉譯成接口狀態(switch state)的近端裝置。
通常電容式傳感器的電容值介于10pF～30pF之間。普遍來說，手指尖經由1mm絕緣層接觸到接口所造成的耦合電容是介于1pF～2pF的范圍。越厚的絕緣層所產生的耦合電容則愈低。若要感應手指的觸碰，則必須建置能夠偵測到1%以下電容變化的電容感測電路系統。
弛張振蕩器（relaxation oscillator）是一種非常有效且易于使用的電容量測電路。一般常見拓撲如圖2所示：
這個電路由以下四種元器件組成：
一組同步比較器(comparator)
一組電流源
一組放電開關(discharge switch)
一組電容式傳感器。
最初，放電開關呈現開啟的狀態，此時全數的電流會流向傳感器，造成傳感器電壓呈現直線上升的現象。此充電動作將持續至傳感器電壓達到比較器閥值為止。這時，比較器會從低電壓轉為高電壓，進一步關閉放電開關。如此一來，電容式傳感器便會快速經由低阻抗路徑放電至地電位。當比較器輸出電壓從高轉低時，整個電路周期則會重復進行。依據下列的方程式，輸出頻率（fout）與充電電流呈現正比的關系；與閥值電壓和傳感器電容則呈現反比的關系。因此借著量測輸出頻率，就可以得知傳感器電容的大小：
假設充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率將。花在量測輸出頻率的時間越長，則可獲得越高的頻率分辨率。由于更高的頻率分辨率會產生更佳的電容量測靈敏度，因此增加量測時間也會相對的提高電容量測分辨率。而設計業者可分別依據不同的應用層面、傳感器尺寸與覆蓋絕緣體厚度等因素，調整量測電容的時間。
由上列的方程式，可以近一步推衍出下列電容方程式：
因此，顯然地我們還必須有輸出頻率周期的量測機制。圖3分別顯示周期量測方式的示意圖與波形圖。
圖3：周期量測方式示意圖
弛張振蕩器的輸出頻率在此代表脈沖寬度調變器（pulse width modulator, PWM）的頻率。PWM的輸出波形由低頻率與高頻率兩種脈波構成，頻率的實際值端視不同應用而定。PWM輸出信號則用來當成計數器（counter）閘門（gate）的信號。當此信號為高電位時，計數器會以fref的頻率累積其數值，并于閘門信號下緣(falling edge)產生中斷的情況，此時則可進行讀取或是重設計數器數值的動作。之前曾假設充電電流為5μA，比較器閥值電壓為1.3V，而傳感器電容為30pF，則會產生128KHz的輸出頻率。假設計數器的參考頻率為6MHz，則計數器在一個周期中所累積數值為46，兩個周期為93，而十個周期的計數器數值則為468。由此可知，計數器累積數值越多，產生的分辨率或是靈敏度也就會越高。設計業者可運用下列方法獲得更高的計數值：
提高計數器參考頻率
降低振蕩器頻率
增加閘門信號的周期次數
電容式接口傳感器采用可變更組態的混合信號數組（configurable mixed signal array），為設計業者提供一套具備成本優勢的解決方案，請參考圖4所示：
圖4：Cypress 可變更組態混合信號數組CY8C21x34的示意圖
Cypress 可變更組態混合信號數組CY8C21x34器件不僅內含建置弛張振蕩器所需的可變更組態模擬區塊，還具備作為建置周期量測裝置用的數字區塊。更重要的是，此器件還額外內建一組I/O模擬多任務器。多任務器的每一組針腳都具備一個開關器，可直接連結到模擬總線上。I/O模擬多任務器是一套大型的交叉式開關（cross-switch），能夠讓每一組針腳直接連結到控制系統上的模擬數組。此外，可編程電流源與放電開關也可直接與總線連結。這套內含多功能的可變更組態混合信號數組器件，可讓28個I/O針腳中的任何一個都能被當成電容式傳感器的輸入端使用。圖5顯示完整的電容式感測系統。
圖5：Cypress推出型號為CY8C21x34的可變更組態混合信號數組
當指尖同時放在兩組并列的電容式傳感器之間時，兩組傳感器很有可能皆會感測到指尖的碰觸。因此，設計業者可利用這樣的原理，近一步研發近似模擬的指尖位置感測裝置。
滑桿（slider）是由多個鄰近的傳感器所組成，在這樣的設計模式下，指尖接觸的范圍可以同時影響到多個傳感器。因此，受影響傳感器的電容值變化可用來計算質心(center of mass)與形心(centroid)。而計算出來的數值可精確的顯示指尖所在位置。圖6顯示滑桿的構成。
圖6：滑桿是由多個鄰近的傳感器所組成
如要達到多個傳感器同時感測出指尖碰觸的目的，設計人員在滑桿的設計上就必須考慮到傳感器的形狀。
恒速行駛操縱裝置（cruise control）為滑桿的應用之一。舉例來說，我們在里程計速度值上放置一排透明的電容式傳感器，只要在55與60兩個數值之間輕輕的點一下，即可將行車時速設定為57 mph。此外，內建電容式觸控傳感器的滑桿也可應用在車燈、音響音量控制等任何測量用的應用裝置上。
隨著車用自動控制儀表板的設計日趨復雜，要將所有的控制鈕建置在其有限的空間中也變得更困難。由于許多車種的方向盤內都已裝設安全氣囊，當安全氣囊迅速膨脹時，可沒有人希望被一大堆機械器件砸在身上，因此，一般的汽車設計業者都會避免在方向盤的表面上裝置控制鈕。然而，電容式傳感器只是被電鍍在安全氣囊蓋后方的電路極板，并沒有任何機械元器件。若是鍍裝有困難，也可以超薄電路板(flex circuit) 取代，并以鑲嵌的方式裝置在安全氣囊蓋后方。
車窗是另一項電容式觸控技術尚未觸及的領域。您是否想過直接把車窗除霧器的控制接口直接建置在車窗上？也許現在已經有設計業者將雨刷控制器直接安裝在擋風玻璃上了。也許未來設計人員會在位于門把上方的玻璃上加裝觸控式數字控鎖接口，車主只需要在車窗的傳感器上輸入正確的密碼，便可控制汽車門鎖。設計業者只要采用玻璃印刷電路技術或印制技術，就可將這類的電容式傳感器建置在物體的表面。設計人員不僅可將這些傳感器設計成常見的按鍵形式，也可自由發揮創意，將傳感器以品牌或是車款名稱，加裝在車窗上(如圖7所示)。
或許公司的營銷人員會對圖7這樣的設計建議表示關切，因為消費者可能會質疑當他們搖下車窗時，是否仍能順利的打開車門？
關鍵詞:電容式;濕度傳感器;信號處理
Key words: capacitance;humidity sensor;signal processing
中圖分類號:[TN98] 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)24-0230-01
1高分子濕敏電容的測濕原理
高分子濕敏電容的工作原理是利用對濕度敏感的高分子聚合物含有吸水基團,吸附環境中的水分子,使聚合物的介電常數發生變化。高分子聚合物在完全干燥狀態下介電常數為2～3,水分子的介電常數為78,聚合物吸附水分子,提高了聚合物的介電常數,隨著吸附水分子數的增多,聚合物的介電常數也隨之變化。基本形式為:
logε=X1logε1+X2logε2(1)
其中ε1為聚合物介電常數,ε2為水的介電常數,X1和X2分別是聚合物與水的體積百分率,ε為總的介電常數。將上述聚合物制作成電容器形式,就可從電容量的變化測定出環境相對濕度,濕敏元件的電容量與環境的相對濕度的關系。
2信號源及工作頻率設計
電容式濕度傳感器電路采用電容充放電原理,激勵信號為矩形脈沖,為此采用了由施密特觸發器構成的多諧振蕩器產生信號源。
其中VT+和VT-分別為施密特觸發器的上下限門限電壓。接通電源以后,電容C上的初始電壓為零,輸出VO為高電平,并開始經電阻R對電容C充電。當沖到輸入電壓為VI=VT+時,輸出跳變為低電平,電容C又經過電阻開始放電。當放電至VI=VT-時,輸出又跳變成高電平,電容C重新開始充電。周而復始,電路便不停振蕩產生固定頻率的波形。振蕩周期的計算公式為:
T=T1+T2=RC1n+RC1n=RC1n(×)(2)
通過調節R和C的大小,即可改變振蕩周期和頻率。試驗發現,信號源頻率對轉換電路的線性有一定影響,較低的工作頻率導致電路的的線性變差,而較高的工作頻率會導致濕敏電容的靈敏度降低,因此傳感器信號源的振蕩頻率選定為50kHz。
3試驗結果
按本文所述信號處理方法制作了三只濕度傳感器,傳感器輸出信號為0～5V電壓信號。其敏感元件采用了MSR-3B型高分子濕敏電容,主要參數為:
①電容量:130～170pF(0%～100%RH);
②工作溫度:-40～70℃;
③靈敏度:0.25pF/%RH;
④溫度系數:≤±0.15%RH/℃。
試驗使用美國2500型雙壓法濕度發生器作為濕度源,美國GE公司的M4冷鏡式露點儀對產生的濕度進行校準。對三只濕度傳感器的準確度、溫度系數、時漂指標進行了測試,試驗在常壓環境條件下進行。在20℃±0.5℃的溫度下傳感器的濕度偏差數據見表1。
由表1數據可以看出傳感器具有較好的測量準確度,最大濕度偏差為1.3%RH,可滿足大多數濕度測量領域的要求。
試驗中對傳感器溫度系數進行了測量,在10～40℃的工作溫度下傳感器溫度系數小于±0.1%RH/℃,測試數據見表2。
在20℃±0.5℃、50%RH±0.5%RH的條件下對傳感器的時漂進行了測量,數據表明本文所述信號處理電路具有較高的穩定性,測試數據見表3。
4結論
通過上述分析表明,采用此種信號處理方法的高分子電容式濕度傳感器可對相對濕度進行較精確的測量,具有溫度系數小、性能穩定、測量精度高等特點,可廣泛應用于工業、農業、氣象、軍事等濕度測量領域。
參考文獻:
[1]盧崇考,周明軍,張彤.電容式高分子濕敏材料感濕機理探討及選擇方法[J].云南大學學報(自然科學版),1997,19(2):166-168.
Experimental improvement of differential capacitance sensor based on variable area
Liu Yuyan
North China Electric Power University， Beijing， 102206， China
Abstract： The experiment of differential capacitance sensor based on variable area is compulsory in the sensor principle teaching. The current problems are analysed in the experimental teaching. The improvement measures are put forward. The transition is implemented from verification to design. The students’ interest of experiment is stimulated. The learning enthusiasm and initiative of the students to do experiments are improved.
Key words： capacitance sensor； variable area； experiment teaching； interest
傳感器原理及應用是高等院校測控專業重要的必修專業課。該課程實用性強，對應的實驗課程較多，有平時課內實驗和期末的傳感器綜合實驗。差動變面積式電容傳感器特性實驗是其中一個2學時的必修實驗。目前，學生做此實驗的興趣不大，積極性不高。其原因主要是此實驗為驗證性實驗，學生按照實驗指導書的步驟進行，實驗過程枯燥乏味。美國著名心理學家布魯納曾說過：“學習的最好刺激，乃是對所學教材的興趣。”教育心理學認為，教師的首要任務是調動學生對所學課程的興趣，進而讓學生獲得強烈的求知欲，從中獲得一種收獲的喜悅和。為此，筆者對實驗內容做了改進。本文詳細介紹差動變面積式電容傳感器的原理、實驗過程以及實驗的改進措施。
1 實驗原理和實驗過程
用兩塊金屬平板作電極可構成最簡單的電容器。一般電容式傳感器可以分成三種類型：變面積型、變介質介電常數型、變極板間距型。本文只討論變面積型，其原理如圖1所示[1]。
圖1 變面積型電容傳感器
由于差動式電容傳感器使靈敏度提高了一倍，故應用廣泛。差動變面積式電容傳感器結構如圖2所示，其中，1為傳感器的動片，2和3為傳感器定片。在零位移條件下，即電容動片1位于定片2和3中間時，結構電容C1與C2均為C0，差電容ΔC=C1-C2為零。在位移信號作用下，即當動片1上下移動時，其將分別與2和3構成的面積差動變化，結構電容C1與C2一個增大，一個減小，從而引起差分電容的線性變化。通過測量差分電容ΔC，可獲得相應的位移量的大小，差分電容變化與位移信號為線性關系[2]。差分電容的電路示意圖如圖3所示[3]。
圖2 差動電容傳感器原理圖
圖3 差分電容的電路示意圖
在實際使用中，單片的差動電容式傳感器的電容量變化幅度比較小，當位移量較小時，其輸出信號量比較微弱，易對后續測量造成不良影響。因此，采用差動式、多定片與多動片級連的形式解決這個問題[4]，由兩塊固定板和一塊活動板組成，其中固定板分別由三塊平行的金屬板串聯而成，三塊金屬板之間的間距相等，面積一致。活動板固定在振動圓盤上，通過測微頭帶動其上下移動，活動板的兩邊各有兩片金屬極片，分別與兩固定板的金屬板保持嚴格的平行且上下間距一致。當金屬板的面積較大，電容板之間的間距較小時，邊緣效應的影響可以忽略不計。故金屬板之間的電磁場可以看做是均勻的。該差動電容傳感器可等效為兩個可變電容，其中由固定板1構成的是電容C1，由固定板2構成的是電容C2，活動板為兩電容的中間抽頭。當將C1和C2接入雙T型橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關，即與振動臺的位移有關[5]。
傳感器的工作特性通過其靜態、動態特性直接反映出來。測量系統的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統輸入與輸出之間呈現的關系就是靜態特性。測量系統的靜態特性又稱刻度特性、標準曲線或校準曲線。與動態特性相比，靜態特性更能反映傳感器的各項指標，傳感器靜態特性的基本參數主要是指線性度、遲滯性、重復性和靜態誤差[6]。以零位移為起點，向上和向下位移電容動片，每次0.5 mm，直至動片與一組靜片全部重合為止，此時輸出最大。記錄數據，并作出V-X曲線，求得靈敏度。當差動放大器增益置最小，電容變換器增益置最大時，得的測量結果見表1。本文實驗結果基于浙江大學儀器系生產的CSY10A傳感器系統實驗儀，在Matlab里運行以下語句得位移-電壓圖（如圖4所示）。
x=-7：0.5：7；
y=[-174 -164 -153 -141 -127 -116 -103 -90 -76 -64 -51 -38 -25 -13 0 12 25 37 50 62 75 88 101 114 127 138 147 154 159]；
p=polyfit（x，y，1）
y1=polyval（p，x）；
plot（x，y1，x，y，'ro'）
p=[24.8700 -1.5862]
表1 位移與電壓關系數據表（其中X單位為mm，V單位為mV）
圖4 位移-電壓圖
圖4表明，在整個測試范圍內（-7 mm～7 mm），位移的變化與輸出電壓呈良好的線性關系，與理論分析結果完全一致，與同類型的傳感器相比，具有較高的分辨率、線性度和穩定性。
2 實驗的改進
實驗臺架上是最簡單的長方形的動片和靜片，在此實驗中，可以讓學生自己設計動片和靜片的形狀，如圓形、三角形、梯形、扇形等。首先進行理論分析，然后通過實驗加以驗證，最后可以從靈敏度、線性度等方面比較學生的實驗結果。這樣，既豐富了實驗內容，又給學生留下充分想象的思維空間，激發了學生做實驗的興趣，培養了創新意識。由于實驗結果不唯一，不用擔心學生抄襲實驗報告，并且形成了一種良好的競爭機制，使學生由被動實驗轉為主動探索。
筆者以圓形動片為例進行簡單說明。其中圓片半徑為1，上下動片的形狀為邊長等于2的方形（如圖5所示）。
a位移為0時 b位移為x時 c位移為1時
圖5 動片為圓形時差動電容傳感器原理圖
圖5中b是位移為x時：
其中ε為兩極板間介質的介電常數；S1和S2分別為動片與上下靜片相互覆蓋面積；d為兩極板間距離；x為從0到1的位移量。特殊地，當x為0時，ΔC=0，即動片位于上下靜片中間時（如圖5a所示）；當x為1時，ΔC=επ/d，即動片與下靜片重合時（如圖5c所示）。以上推導忽略了上、下靜片間隙與動片的相對面積。
靈敏度為：
在Matlab中運行如下語句，得電容-位移關系圖（如圖6所示）。
x=-1：0.05：1
y=pi-（2*acos（x））+2*x.*（1-x.^2）.^（1/2）
z=2*（1-x.^2）.^（1/2）+（2-2*x.^2）.*（1-x.^2）.^ （-1/2）
plot（x，y，x，z）
注：data1為電容―位移變化趨勢曲線；data2為靈敏度變化趨勢曲線。
圖6 電容-位移關系圖
3 結束語
通過改進實驗內容，學生增加了實驗興趣，課堂討論氛圍活躍，師生交流機會增多，增強了學生的自主學習能力，開闊了視野。此實驗還應注意以下幾個問題：
（1）定極板與動極板之間的間距和安裝平行度對輸出也有明顯的影響。間距小、安裝平行度好，有利于提高信號質量。電容動片與兩定片之間的片間距離需相等，必要時可稍做調整。位移和振動時均應避免擦片現象，否則會造成輸出信號突變的問題。
（2）由于懸臂梁彈性恢復的滯后，進行反相采集時，測微儀雖然回到起始位置，但系統輸出電壓可能并沒有回到零，此時可反向位移懸臂梁使輸出電壓過零后再回起始位置，待系統輸出為零后進行反方向采集。
上述因素都可能導致傳感器出現測量誤差，設計時應盡量考慮周密，把各種影響降到最小。如保證極板區域形狀的一致性，極板材料的均勻性，采用最佳的工作激勵頻率等[7]。
參考文獻
[1] 王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，1999.
[2] 李寶清，陸德仁.變面積結構微機械電容式加速度傳感器[J].中國工程科學，2000，2（2）：38-42.
[3] 李恒燦，李勇.一種變面積型差動電容加速度傳感器的設計[J].蘭州理工大學學報，2011，37（3）：43-46.
[4] 吳鵬，郭曉菲，陳志高.變面積差動電容式傳感器的研究[J].大地測量與地球動力學，2012（S1）：141-142，152.
為減小附加誤差，保證測試數據的可比性，兩次測試均采用相同的標準器和測試設備。標準器為美國GE公司的精密冷鏡式露點儀，露點測量范圍為-60℃～40℃，測量誤差為±0.01℃；測試設備為國產SYSD型一等標準雙壓法濕度發生器，其產生相對濕度的范圍為10%～95%RH，最大允許誤差為±1%RH。1.3測試方法測試中選取-30℃，-10℃和20℃3個溫度點。-30℃時，選取20%、30%、40%、50%、75%、85%、95%7個濕度測試點。由于被試件技術指標不同，-10℃和20℃時，1#、2#、7#、8#被試件選取20%為低濕測試點，其余被試件選取15%測試點，其他測試點與-30℃時相同。每個溫度點進行兩個循環測試，每個濕度測試點有兩對不同濕度變化趨勢的數據。
2穩定性分析方法
本文利用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩定性。文中定義誤差的年漂移量為使用后各濕度測試點誤差與使用前各濕度測試點誤差的差值，其中濕度測試點誤差為該測試點4次單次測量誤差的平均值。為研究誤差年漂移量的變化規律，文中分析了不同溫度條件下，誤差年漂移量的分布情況。討論了室溫（20℃）條件下誤差年漂移量隨濕度變化的規律以及同型號的兩被試件之間的一致性。為確定各種因素對誤差年漂移量的影響，文中采用方差分析法，分析了溫度、濕度以及觀測設備型號對誤差年漂移量的影響，并給出了顯著度。為檢驗現行濕敏電容傳感器的檢定周期是否合理，文中以中國氣象局對濕敏電容傳感器的要求為標準，對使用后靜態測試中14支濕敏電容傳感器的合格率進行了統計。
3穩定性分析結果
3.1誤差年漂移量隨溫度變化情況測試時選取了-30℃，-10℃和20℃3個溫度點，圖1為各被試件在不同溫度點誤差年漂移量的箱形圖，每個箱形的數據為7個濕度測試點的誤差年漂移量。箱形圖中，線段的最高點為最大值，最低點為最小值，箱形的上框線為上4分位值，下框線為下4分位值，箱內線為中位線，箱外“+”點為異常值。從圖中可以看出，對大多數被試件來說，低溫時中位線低，并且隨著溫度的降低，箱形和線段的長度增加，由此可知誤差年漂移量在低溫時較低，并且其分布隨溫度降低而變得分散。為定量表征誤差年漂移量隨溫度的變化規律，文中計算了誤差年漂移量的平均值和標準偏差。根據JJF1001-2011《通用計量術語及定義技術規范》的規定，當測量次數小于9次時，采用極差法計算標準偏差，如式（1）：表2給出了各被試件在不同溫度點時誤差年漂移量的平均值和標準偏差。總體來看，各被試件在-30℃時誤差年漂移量的區間為[-5.62，0.82]，-10℃時為[-3.73，0.95]，20℃時為[-1.85，1.07]，其中置信因子k=1。
3.220℃時誤差年漂移量的變化規律南京市年平均氣溫為15.4℃，因此分析20℃時誤差的漂移情況具有更重要的意義。為了便于分析不同型號的被試件的誤差漂移情況，按照觀測設備型號將14套被試件分為8組，圖2給出了20℃時8種型號的觀測設備濕度測量誤差的年漂移量。從誤差年漂移量曲線的變化趨勢來看，在全量程不同測量段，誤差年漂移量有很大的差異。除I、IV型觀測設備圖2中（a）和（d）外，其余被試件誤差的年漂移量隨濕度的升高向y軸負向移動。在低濕點（≤40%RH），各被試件誤差年漂移量的平均值為-0.04%RH，在高濕點（＞80%RH），誤差年漂移量的平均值為-1.04%RH。從圖2（a）～（f）中兩條曲線的關系來看，II、III、V、VI型觀測設備（圖2中（b）、（c）、（e）、（f））的兩套被試件之間的誤差年漂移量具有較好的一致性，兩被試件間誤差年漂移量的差值平均為0.5%RH。IV型觀測設備的兩套被試件除50%RH測試點存在1.81%RH的差異外，其余測試點誤差年漂移量具有較好的一致性。I型觀測設備的兩套被試件一致性較差，兩被試件間誤差年漂移量曲線近似平行，其差值平均為3.2%RH。
3.3誤差年漂移量影響因素的方差分析事件的發生往往與多個因素有關，但各個因素對事件發生的影響可能是不同的。所謂方差分析就是利用試驗觀測值總偏差的可分解性，將不同因素所引起的偏差與試驗誤差分解開，以確定不同因素的影響程度[6]。文中對測試點溫度、測試點濕度、觀測設備型號進行3因素方差檢驗，得出3個因素及其交互作用對誤差年漂移量的影響。為確定結果是否是“統計上顯著的”，需要確定α值[7]，文中規定當α值小于0.01時，結果是顯著的。表3為多因子方差分析表，可以看出，溫度、觀測設備型號以及溫度和濕度交互作用的α值均小于0.01，表明溫度、溫度和濕度的交互作用以及廠家的設計制造水平對誤差年漂移量有顯著影響。
3.4濕敏電容傳感器檢定周期合理性分析為保證氣象資料的準確性和連續性，要求氣象儀器具有較好的穩定性。因此氣象儀器必須進行周期檢定以保障其準確性和氣象資料的可靠性，其中被試儀器的檢定周期則取決于它的穩定性。中國氣象局對濕度測量最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH），±8%RH（＞80%RH）。參加試驗的14套被試件經過一年的動態比對試驗，使用后的靜態測試中有3套被試件仍符合技術指標要求，11套被試件不符合要求，不合格率為78.6%。儀器特性漂移產生的誤差可以通過檢定給出修正值予以解決，試行的GJB1758.26A《軍用氣象儀器檢定規程第26部分：地面氣象自動觀測儀》中規定濕敏電容傳感器的檢定周期為1年。根據本文研究結果可以看出，經過一年的使用，超過3/4的傳感器不能滿足技術要求。為保證濕敏電容傳感器的測量準確度，德國科學工作者建議幾周校準一次[8]，我國也建議應每半年采用兩種飽和鹽溶液對濕敏電容傳感器進行兩點調校。
1．1傳感器幾何結構與測量系統如圖1所示，平行線電容傳感器由一對外表面涂有特氟龍（teflon）絕緣介質的平行金屬電極構成，且電極沿管道徑向位置平行放置。圖1中結構參數D表示檢測電極之間距離；R1為金屬電極半徑；Tt為特氟龍絕緣層厚度。圖1平行線電容傳感器結構示意圖平行線電容傳感器測量系統如圖2所示，其主要包括高頻激勵模塊（1MHz正弦波）、C／V轉換模塊、信號調理模塊（采用乘法解調方式）及數據采集模塊。根據圖2中電容傳感器測量電路的測量原理，調理模塊輸出電壓Vmeas可表示為Vmeas＝－GA22CfC＋GVref（1）式中，Vmeas為測量系統輸出電壓；A為激勵信號幅值；Cf為C／V轉換模塊中參考電容；C為待測流量有效電容值；G為放大器增益；Vref為參考電壓。從式（1）可以看出，測量電壓信號Vmeas與有效電容值C呈線性關系，且測量靈敏度為－GA2／2Cf。
1．2傳感器內部電場與靈敏場分布為了考察平行線電容傳感器內部電場分布情況，首先利用有限元分析軟件（ANSYS）對傳感器進平行線電容傳感器測量系統示意圖行幾何建模。傳感器的三維有限元剖分模型見圖3，其中設定管道內徑為20mm、外徑為30mm、管長度為30mm，選用單元類型為三維10節點四面體單元，剖分單元共計364328個。圖3平行線電容傳感器三維有限元剖分模型（D＝5mm；R1＝0．3mm；Tt＝0．05mm）在激勵電極及測量電極上分別施加10V及0V直流電壓信號，經有限元分析計算得到了如圖4所示的傳感器內部電勢分布。由圖4（a）可以看出，在管截面徑向方向，電場在電極之間存在梯度分布；由圖4（b）可知，在管截面軸向方向，越靠近電極處電場梯度分布明顯，其他流體區域電場分布趨于穩定。通過對平行線電容傳感器內部電場分析，平行線電容傳感器測量高靈敏度區域應主要分布在電極附近。為詳細考察平行線電容傳感器靈敏場分布特性，采用二維有限元分析模型對靈敏場進行計算。當二維空間內沒有自由電荷分布時，傳感器二維模型電位分布滿足的拉普拉斯方程為•［ε0εr（x，z）φ（x，z）］＝0（2）式中，φ（x，z）為二維場電位分布函數；ε0及εr（x，z）分別為空氣介電常數和場域（x，z）處的相對介電常數，在各剖分單元內可認為是常數；•和分別為散度和梯度算子。通過有限元分析軟件，可計算得到各個節點的電位值φ（x，z）；同時，通過電位值又可以得到節點的電場強度EE＝－φ（3）根據高斯定理，可選擇一個包括電極的封閉路徑（二維中為曲線），在此路徑上積分，即可求得一個電荷值，該電荷值即為電極上的電荷量Q。進而電極間的電容量為C＝QU（4）式中，U為電極間的電位差。電容傳感器檢測區域內的任一子區域介電常數變化都會引起電極間電容值的變化。
該子區域引起電容值變化的程度可用單元靈敏度描述，而整個檢測區域內單元靈敏度的分布形成靈敏場。為獲取傳感器檢測區域的靈敏度分布，采用在傳感器檢測區域放置測試小球的辦法獲得測試位置處的靈敏度，靈敏度計算公式可表示為S（k）＝C（k）－C（ε0）C（ε）－C（ε0）k＝1，2，3，…，M（5）式中，C（ε）及C（ε0）分別表示介質介電常數為ε及ε0時的傳感器電容值；C（k）表示檢測區域k位置處放置介電常數為ε的測試小球后傳感器的電容值；M為放置測試小球位置的總數。根據傳感器檢測區域各位置處的靈敏度計算值得到D＝5mm、R1＝0．3mm、Tt＝0．05mm時傳感器的靈敏度分布（見圖5）。圖5中，二維靈敏場內靈敏度峰值出現在電極位置處，遠離電極區域的靈敏度值較低，且基本趨于0值。采用Xie［3］等提出的靈敏場均勻性誤差參數（SVP）和傳感器相對靈敏度均值（Savg）作為優化指標，考察了傳感器各結構參數對靈敏場的影響，期望獲得一個均勻性誤差最小、相對靈敏度較高的傳感器尺寸。傳感器幾何尺寸取值情況見表1所示。表1傳感器幾何尺寸參數取值傳感器參數幾何尺寸／mmD5710R10．30．40．5Tt0．020．050．07通過分析得知各結構參數對靈敏場的影響，檢測電極越大，均勻性誤差（SVP）越大，相對靈敏度均值（Savg）越小；金屬電極半徑增大，相對靈敏度均值（Savg）越小，均勻性誤差（SVP）影響很小；絕緣層壁厚變大，相對靈敏度均值（Savg）越大，均勻性誤差（SVP）影響很小。綜合考慮，選用的傳感器尺寸為D＝5mm；R1＝0．3mm；Tt＝0．05mm。
2傳感器靜態測量特性
為考察平行線電容傳感器對水平油水層狀流靜態響應特性，建立了水平油水層狀流下的有限元模型，并計算了不同相含率（持水率）下的傳感器電容值。水平油水層狀流有限元剖分模型見圖6，其中檢測電極間距為5mm，金屬電極半徑為0．3mm，特氟龍厚度為0．07mm，模型剖分單元類型為三維10節點四面體單元，剖分單元總數為685772，上部紅色流體代表油相，下部藍色流體代表水相，模型對應持水率為20％。對層狀流傳感器有限元計算結果歸一化處理CN＝Cm－CoCw－Co（6）式中，CN為傳感器計算電容歸一化值；Cm為油水按不同持水率配比時電容計算值；Co為全油時的電容計算值；Cw為全水時的電容計算值。為考察平行線電容傳感器的測量響應特性，以驗證電容傳感器測量系統有效性，對不同持水率的水平油水層狀流進行了靜態實驗測量。實驗管道選用內徑為20mm的有機玻璃管，實驗介質為15號白油和自來水，白油密度為856kg／m3，黏度為11．984mPa•s。實驗中將油水兩相按體積配比為不同持水率的油水層狀分布，同時對平行線電容傳感器輸出響應進行實時測量，并對電容測量電壓值進行歸一化處理VN＝Vm－VoVw－Vo（7）式中，VN為輸出電壓歸一化值；Vm為油水混合時電壓輸出值；Vo為全油時電壓輸出值；Vw為全水時電壓輸出值。對于水平油水層狀流靜態分布，平行線電容傳感器靜態實驗測量結果與仿真結果見圖7。可以看出，對于油水層狀流傳感器有限元計算結果與實際測量結果有較好的一致性，且測量靈敏度及線性度較高。圖7平行線電容傳感器測量結果與仿真結果對比圖
3結論
關鍵詞：投射電容式觸摸屏；電容式觸摸屏；觸摸屏
中圖分類號：TN141文獻標識碼：A
Touch the Future: Projected-Capacitive Touch Screens Reach for New Markets
John Feland
（Synaptics, Inc.,Santa Clara,CA,U.S.A）
Abstract: Spurred by successful implementation in devices such as the Apple iPhone and the LG Prada phone, projective-capacitive touch screens seem poised for mass adoption in various applications.Here is an overview of the technology and how to decide which type of projective-capacitance touch screen to use in your product.
Keywords: projective-capacitance touch screen ；capacitive touch screen；touch screen
2007年3月LG普拉達手機(見圖1(a))以及隨后2007年6月的蘋果iPhone、2007年9月的iPOD觸摸屏、2007年10月的三星Yepp YP-P2等產品(見圖2（b）)的發行向世界傳遞了一個信號，即透明投射電容式觸摸屏已經做好被大量應用的準備。在2007年之前，透明投射電容式技術只是一項具有很小影響力的小生境技術。
據估計2006年投射電容式觸摸屏在全世界的總銷售額低于2,000萬美元；但是隨著此類觸摸屏技術的發展，逐漸開辟出了通向各種平臺的道路，消費類電子廠商通過多媒體市場采用這項技術，來改變終端用戶的體驗，使得2008年銷售額增為原來的5倍。
在各公司探索這項日漸成熟的技術，并應用于他們產品的時候，一些問題也產生了，例如：哪種投射電容式傳感器適合我的應用，什么是玻璃和塑料襯底之間的交替使用。以上這些問題，還有一些其它問題將在下文進行介紹。
圖1 LG普拉達手機（a）和三星Yepp YP-P2媒體播放機（b）是采用投射電容式觸摸屏的首批消費類電子產品中的兩個
圖2 自我電容觸摸屏工作過程示意圖
1電容觸摸屏
主要有兩種類型的觸摸屏采用電容傳感作為主要輸入方法：表面式電容和投射式電容。表面電容觸摸屏采用一層銦錫氧化物（ITO），至少有四個電極。當一個接地的物體靠近時，例如手指，這些電極能夠感應表面電容的變化。3M微觸公司（3M Micro-Touch）作為該技術的最主要供應商之一，這種方法很長一段時間被用在信息亭觸摸屏上。
但是表面電容式觸摸屏有一些局限性，它只能識別一個手指或者一次觸摸。另外，考慮到電極的尺寸，對于小尺寸屏幕（如那些用在手持式平臺上的屏幕）是不切實際的。
傳感器利用觸摸屏電極發射出的靜電場線稱為投射電容式觸摸屏。一般用于投射電容傳感技術的電容類型有兩種：自我電容和交互電容。
自我電容又稱絕對電容，是最廣為采用的一種方法。它把被感覺的物體作為電容的另一個極板。該物體在傳感電極和被傳感電極之間感應出電荷，從而被感覺到。所測量的電荷存儲在結果電容耦合中。圖2表示了上述原則是如何工作的。
交互電容又叫做跨越電容，它是通過相鄰電極的耦合產生的電容。當被感覺物體靠近從一個電極到另一個電極的電場線時，交互電容的改變被感覺到，從而報告出位置。在汽車應用中交互電容傳感器作為傳導性傳感器被廣泛用作汽油調節。
數百萬種自我電容方法在人們日常生活的位置傳感中被采用。例如當今的筆記本電腦上觸摸輸入板到處存在。最典型的筆記本電腦觸摸輸入板采用X×Y的傳感電極陣列形成一個傳感格子。當手指靠近觸摸輸入板時，在手指和傳感電極之間產生一個小量電荷。采用特定的運算法則處理來自行、列傳感器的信號來確定被傳感物體(此處指的就是手指)的位置。
在上述兩種類型的投射電容式傳感器中，傳感電容可以按照一定方法設計，以便在任何給定時間內都可以探測到觸摸，該觸摸不僅局限于一根手指，也可以是多根手指。
不透明投射電容式傳感器可以用在很多設備上，如觸摸輸入板和投射電容式觸摸屏，其操作的基本原理是一樣的。其不同之處在于傳感器電極的材料、傳感器襯底、制造方法，以及方法堆棧中的很多問題。觸摸輸入板可以用不透明材料制造，如采用金屬或者傳感領域的碳基電極。投射電容式觸摸屏必須是透明的，因此，經常用與基于電阻式觸摸屏的透明導體相同的材料來制造，例如ITO。
但是，與電阻式觸摸屏不同，投射電容式觸摸屏不需要層與層之間的空氣間隔，或者不需要令任何層變形，因此，傳感器可以采用堅硬的玻璃或者塑料襯底。投射電容式和電阻式觸摸屏構造的關鍵不同之處是有關ITO的要求，投射電容式觸摸屏的ITO是作為后一層定型在前一層上，而不是像電阻式觸摸屏一樣采用連續的膜淀積。雖然增加了工藝復雜程度，但是考慮到采用投射電容式觸摸屏的好處，還是非常值得的。
例如，Synaptics在媒體播放器的清除鍵傳感器上采用新奇的金剛石模式。X軸方向的傳感器形成一層，Y軸方向的傳感器形成另外一層，然后加上接地層或者保護層來完成，如圖3所示。
圖3 Synaptics用于清除鍵傳感器上的金剛石模式
在玻璃和塑料襯底的選擇上并沒有明顯區別。都可以層積在塑料或者玻璃鏡頭（屏幕保護）上，這些取決于原始設備制造商的產品設計。玻璃相對厚點、重點、貴點，但是整體堅硬些，可以潛在地降低設備其余地方的成本。玻璃比塑料的透射系數高，盡管兩種材料都比同尺寸的電阻式觸摸屏高。塑料傳感器相對薄些，并且比較容易層壓在產品鏡頭上（因為把柔性材料層壓在硬性材料層上比層壓兩層硬性材料容易些）。既然制造方法類似，玻璃和塑料襯底都可以用來制造自我電容觸摸屏和交互電容觸摸屏。
大部分傳感器供應商采用連續同一批濺射工藝在襯底上刻蝕ITO圖形。
3M微觸摸公司于2007年宣布了卷對卷制造投射電容傳感器的可能性。過去，雖然刻蝕這種圖形的技術已非常成熟，但是會引起觸摸屏表面的反射系數有所不同，當光線劃過表面時會造成圖形可見。最近獲得的反射系數更加匹配，而且傳感器圖形幾乎不可見。
表面電容式觸摸屏在小尺寸生產時具有實際的局限性，而投射電容式觸摸屏在大尺寸時具有局限性。
傳感器電極必須離得足夠近，這樣手指可以影響至少兩個電極的電場線從而確定手指的位置。同樣地，伴隨著屏幕尺寸的增大傳感器電極的數目也需要按照相應的幾何比增大。隨著投射電容式觸摸屏尺寸的增大，需要發送回控制器的傳感器電極的數目會迅速增加，同樣迫使傳感器的非活動邊框擴大。有一些竅門可以制造大尺寸投射電容式觸摸屏，但是這些設計到目前為止并沒有在真實產品中得到驗證。
2控制器是關鍵
如果沒有控制器，傳感器只是一片沒有作用的塑料或者玻璃。與每一個物品上的（從應用處理機到MP3解碼芯片）的電阻式觸摸屏控制器的增殖性和綜合性相比，投射電容式觸摸屏仍然需要專門的芯片來驅動傳感器，以及解碼一根手指或多根手指在觸摸屏上的位置。
Synaptics在市場上接受清理鍵模塊的途徑是采用自我電容技術，該技術是從已經使用的數百萬筆記本觸摸輸入板借鑒來的。Synaptics控制器使用的傳感設計是這樣的，先測驗X軸上的每一個傳感器軌跡，隨后測驗Y軸上的每一個感器軌跡，找出每一個軸上的最大電容點。這種技術可以屏蔽同度噪音，如濕度、溫度的變化或者外界噪聲源（比如60Hz的線性噪聲）。
蘋果公司在iPhone和iPod觸摸屏中采用的是交互電容技術。Apple/Broadcom控制器使用的傳感設計是刺激Y軸上的每一條線，一次刺激一條。對于每一條Y軸線，控制器測量該條線和每一條X軸線處的交點電容。結果就是無論什么映像都是正在觸摸700X-Y交點處的表面。但是，這種技術相對于自我電容技術對環境噪聲非常敏感。到目前為止，以上的控制器供應商名單中并沒有用于已的產品，所以并不知道他們采用什么技術。
3豐富的手勢調色板
一般來說，要是想推動投射電容式觸摸屏被廣泛采用，首先要使豐富的手勢調色板成為可能。原始設備制造商產品發展組的用戶體驗和用戶界面設計者們非常渴望這種新能力。直覺手勢的運用為減少當今用戶設備的復雜度提供了巨大希望。
人們常常會問這樣一個問題，手勢處理會在那里發生呢？手勢可以在四個地方進行處理和解碼：在觸摸屏控制器中，在獨立CPU或DPS中，在主機CPU觸摸屏驅動器中或者在主機CPU正在運行的應用設備中。在玻璃襯底和塑料襯底的對比問題中，并沒有絕對的答案，每一種結構都各有優劣。在蘋果iPhone中，觸摸屏芯片是由兩塊獨立的芯片組成：一個Broadcom模擬處理器，用來處理從傳感器傳過來的原始模擬信號，將他們轉變成由多個X、Y點坐標值組成的數據流；另一芯片是NXP(飛利浦)ARM-7 CPU用來將數據流解碼為相應的手勢指示。在蘋果iPod觸摸屏中，上述兩塊芯片聯合成一片芯片，又叫做改進型Broadcom芯片，包括了模擬和數字內核。蘋果公司選擇獨立CPU處理手勢而非主機CPU的一個原因是這樣可以確保快速的對手勢作出反應。iPhone一共包括五、六個獨立的ARM內核，所以很顯然整個產品架構是分布式計算。
在三星Yepp YP-P2媒體播放機中Synaptics采用了一種不同的方法。媒體播放機的功能比智能電話簡單很多，因此媒體播放機一般只有一個CPU，這樣限制了可能的手勢處理選擇的范圍。三星Yepp YP-P2媒體播放機采用Synaptics ChiralMotion手勢作為仔細尋找各種應用的主要方法。（ChiralMotion是一種智能化虛擬滾動手勢，允許用戶通過改變手指運動弧線的速度和半徑來控制滾動的方向和速度。）觸摸屏控制器從觸摸屏輸出一種由單個X和Y點坐標值組成的數據流。ChiralGesture識別發生在主機CPU正在運行的觸摸屏驅動器上。驅動器向用戶界面通報用戶意圖，這樣用戶界面應用可以滿足用戶在播放機的其余應用上穿梭觸摸，這樣不僅美觀而且使用簡單。
結 論
對于未來的掌上設備而言，投射電容式觸摸屏是最有前途的交互作用方法。更薄，更穩健，比電阻式更清晰，支持多手指手勢應用，推動工業設計一體化，這樣看來下一代觸摸屏很可能會廣泛應用。可利用選擇自我電容、交互電容、底玻璃，底平板塑料、底曲面塑料等的多種組合為原始設備制造商在如何結合這項日漸成熟的技術方面提供了巨大的彈性。
中圖分類號：TM451.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）14-0020-03
目前，智能電網技術快速發展，其已成為全球能源發展和變革中的重大研究課題，其中各類電信號的測量技術及其傳感器是實現智能電網監測、控制、分析和決策的基礎，也是智能電網發展的關鍵。電壓互感器的準確性、可靠性、便利性和快速性是電能計量和繼電保護、電力系統監測診斷、電力系統故障分析中的關鍵技術要求。
電磁式電壓互感器（Potential Transformer，PT）和電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）在電力系統中廣泛應用。雖然電網中普遍使用的電容式電壓互感器和電磁式電流互感器的技術成熟，而且擁有長期的運行維護經驗，但它們的測量線性度較差、瞬變響應速度較慢，且電磁式電流互感器的瞬態誤差特性也不理想。
傳統的電磁式電壓互感器存重量大和體積大的特點，而且隨著特超高壓電網的發展，其絕緣強度要求難度越來越大，同時由于具有鐵芯，可能導致發生鐵磁諧振過電壓和由鐵磁飽和帶來的動態范圍變小等缺點，已經越來越不適應當前智能化電網的發展趨勢。
與電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器具有更多的優點，其分壓結構可以提高互感器的動態范圍，使其更容易提高絕緣強度。但該互感器不能夠及時跟蹤電壓變化，不能滿足繼保系統中的要求，而且該互感器能夠捕捉到高頻的過電壓波形，也不能滿足電力系統故障診斷與在線監測要求，而電容式電壓互感器中耦合電容、補償電抗器以及中間變壓器等內部儲能元件構成的RLC電路會使得電容式互感器的暫態特性會變差，使得當一次系統發生如電壓跌落故障時，電容式電壓互感器的輸出并不能立即跟隨一次側輸入變化，并且在高頻過電壓下，二次側輸出可能發生由鐵磁諧振導致的高頻振蕩，無法反映一次側輸入波形。在一些不易進行直接測量的場合，如對高壓套管、被絕緣層包裹的變壓器繞組接頭處等進行測量時，電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器的使用也具受到了限制。
1 D-dot傳感器測量
3 結 語
D-dot傳感器是一種電場耦合的傳感器，工作原理上與通過傳遞能量實現測量的PT和CVT有所不同，可以實現無接觸測量，其結構簡單、具有較大的測量帶寬和動態范圍、能夠抑制非線性負載的感應電壓過沖，為克服上述問題提供了新的途徑。但是傳統的D-dot傳感器由于傳遞函數限制與積分器、衰減器的使用，其工頻與高頻響應會存在幅值與相位誤差的同時也存在傳感器體積與絕緣強度之間的矛盾，限制了其作為電力互感器的使用。通過分析D-dot傳感器的工作原理及其影響因素，指出一種通過差動輸入和多重電極并聯的方式被引入以使互感器工作于自積分模式，使其能夠作為無接觸式電子式電壓互感器應用于電力系統電壓測量領域，具有結構簡單、便捷的特點，理論上分析其在額定電壓范圍內線性擬合較高，而且具有很高的動態范圍，幅值與相位誤差能夠達到計量要求，能夠快速反應暫態電壓變化，是未來的發展方向。
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中圖分類號:TD713文獻標識碼:A文章編號:1007-9599 (2010) 03-0074-02
Grain Moisture Testing Based on MCS-51 Microcontroller
Xu liangliang,Liang Gaige,Wang Jiajia
(China University of Mining Information and Electrical Engineering,Xuzhou100000,China)
Abstract:In this paper,If grain moisture compliance with standards,propose a real-time,reliable based on MCS-51 microcontroller new detection system.The system is based on a capacitive sensor,the core for the 8031 microprocessor.The paper first discusses the the working theory of capacitive sensors,and under the principles propose improve detection sensitivity method;secondly gives the capacitance - frequency - voltage linear conversion circuit is a collection ADC809 input signal;Finally grain moisture required to give a SCM approach.
Keywords:Capacitive sensor;frequency - voltage converter; MCS-51;ADC0809
一、引言
谷物在人們日常生活中是必不可少的,如果谷物太濕,就會加速谷物的霉變,所以檢測谷物濕度并及時采取措施是將谷物倉儲的前提。而在常規的環境參數中,濕度是最難準確測量的一個參數。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜得多,溫度是個獨立的被測量,而濕度卻受其他因素(如大氣壓強、溫度等)的綜合影響。因而,如何實時、準確地在線測定倉儲谷物的水分含量具有重要意義。長期以來,人們僅僅靠主觀感覺來檢測谷物濕度,缺乏一定的科學依據,就使谷物濕度檢測科學化、標準化這一點來講,設計一套谷物水分快速檢測儀也是十分必要的。
二、電容式傳感器的工作原理
電容式傳感器具有結構簡單、靈敏度高、動態響應好、價格便宜等優點,可以實現非接觸測量,且具有平均效應。電容傳感器可以用來檢測壓力、力、位移、物位以及振動等方面的參量,是一種應用廣泛和有發展前途的傳感器。
電容式傳感器是把被測的非電量轉換為自身電容量變化的一種傳感器。這些被測量是用于改變組成電容器的可變參數而實現其轉換的。下面以用最普通的平行極板電容器來說明電容式傳感器的基本工作原理。兩塊相互平行的金屬極板,當不考慮其邊緣效應(兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化)時,其電容量為:
顯然,C是S、d、 的函數,如果保持其中兩個參數不變,只改變另一個參數,就可將參數變化轉換成電容量的變化,構成電容式傳感器。因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型、變介質型三種類型。
三、谷物濕度檢測傳感器的工作原理
傳感器采用同心柱型電容器,可減小邊緣效應對電容值的影響,因為當 ,可忽略圓柱兩端的邊緣效應影響。圓柱形電容式傳感器
由此可得放入谷物前后電容C的變化量 ,令 ,為使有較高的靈敏度,需滿足 ,故當 時,有較高的靈敏度。在做電容器時應予以考慮。不難理解,谷物中的含水量 必定與相對介電常數常數呈正相關,而 ,所以電容量C亦將與 呈正相關。由此檢測的C的值,便可知谷物的濕度。
四、測量與轉換電路
一般情況下非電量難以測量,應該把非電量轉化為電壓電流的變化,以便于測量和處理。
根據電路知識可得: ,將頻率f通過頻率―電壓轉換器后,其輸出電壓: 將(1)式代入(2)式得 ,電壓U1經過倒數電路后,其輸出電壓: ,將(3)式代入(4)式得 電壓U2經過放大電路,其輸出電壓
從上式可以看出輸出電壓U3與電容量Cx成正比,而Cx又決定于谷物的濕度 ,這樣就在電壓和谷物濕度之間建立了函數關系。從以上分析可知, 越大,電容量Cx就越大,那么輸出電壓U3也就越大,雖然U3與 之間存在一定的非線性,但正相關的規律不會改變,通過國家標準給定 的上限,經實驗也就能得出相應電壓的上限。
五、硬件電路設計
(一)硬件系統構成
為了能實現簡單、快速、準確地現場測定谷物濕度,同時考慮到設計的性能和價格等因素,將選用MCS-51系列的單片機8031,這樣就建立了以單片機為核心的便攜式快速智能濕度監測儀。它具有體積小、質量輕、能耗低、操作簡單等特點,而且可以大大提高工作效率和事故的預見性,有效地降低糧食儲藏過程中的損失。硬件電路流程圖如下:
圖1硬件系統流程
從圖中可以看出,該硬件系統由四部分組成,采集電路、接口電路、8031處理器和顯示電路。圖中的擴展輸入包括看門狗、鍵盤等。擴展輸出包括LED顯示,繼電器等等。
(二)MCS-51對ADC809的接口
因ADC809內部有一個8位“三態輸出鎖存器”可以鎖存A/D轉換后的數字量,故它本身即可看做一種輸入設備,也可認為是并行I/O接口芯片。因此,ADC0809可以直接和MCS-51接口,當然也可通過8155這樣的其他接口芯片連接,這里采用8031和ADC0809直接相連,START和ALE互連可使ADC0809在接收模擬量路數地址時啟動工作。START啟動信號由8031 和P2.3經或門產生。復位后因P2.3為高電平而封鎖。
圖2 8031和ADC809接口電路
六、結論
該系統能夠實時監測谷物的濕度,并配有越限報警裝置,以便工作人員能及時響應做好防范措施。具有一定的實用價值。從文中我們也可以看到,由于忽略了電容的邊緣效應以及谷粒間距之間的差別而認為應用的對象是理想的,這本身會存在一定的誤差。但采取適當的措施,例如使電容式傳感器筒高度遠大于其外徑也是可以減小甚至是忽略這些非主要因素影響的。另外,這種監控系統這對提高工作效率、減輕勞動強度、節省人力、實現糧庫管理自動化也同樣具有重要意義。
參考文獻:
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飛機油量測量系統是指在地面和飛行狀態下，連續測量和指示飛機可用燃油質量的系統，它比普通情況下的油量測量更為復雜。首先由機上空間十分寶貴，必須盡可能提高空間利用率，因此飛機上油箱的形狀都不太規則，必須通過較為復雜的計算將液位高度轉換成燃油體積；其次飛機在飛行過程中姿態經常發生變化，從而引起油面的傾斜，給燃油體積的測量結果帶來誤差，因此必須進行姿態誤差補償；再次燃油的密度受產地、溫度、壓力等因素影響，這些因素的變化會導致燃油體積發生變化，從而給燃油質量的計算帶來誤差，因此必須進行燃油密度補償。燃油系統先通過油位傳感器測量液位高度，再根據油箱的形狀參數和飛機飛行的姿態參數綜合計算出燃油的體積，最后再乘以燃油密度傳感器的測量結果從而得到燃油質量。在以上過程中，燃油液位的精確測量是燃油量精確測量的先決條件，因而提高燃油液位傳感器的精度和性能對于提高飛機燃油測量系統的性能有著重要意義。
長期以來，廣大工程技術與研究人員一直致力于提高飛機燃油系統的測量精度，并對各種測量方法進行了嘗試，研制出了許多基于機械、振動、超聲波、電磁、電、光、輻射等原理的液位傳感器，但是由機油量測量的復雜性、實現難度和制造成本等方面的因素，只有少數測量方法得到了應用。
早期的飛機上使用浮子式傳感器進行液位測量，而在有些比較簡陋的飛機上甚至只在起飛之前使用油尺測量油箱中的油量，在飛行過程中則依賴飛行員的經驗來判斷油箱中的剩余油量；二戰以后，飛機上大量采用電容式油量測量技術，并在最近二三十年間對電容式傳感器進行數字化，提高了傳感器的性能及可靠性；近年來，國外航空界對超聲波式傳感器進行研究，并將其用機油量測量，但并沒有取得很好的效果，因此工程技術人員仍在尋求電容式傳感器的其他替代技術。下面將就飛機燃油液位測量技術的應用現狀與未來發展趨勢進行簡要介紹。
1.油尺
在一些簡陋的飛機上，曾經使用過油尺來檢測飛機在地面加油過程中以及起飛前的油量，這種測量方法是在其他測量方法失效時的唯一可信賴的測量方法。現在人們一般使用磁性浮子油尺，使用時，松開油尺的卡鎖機構，使油尺在重力的作用下下墜，當油尺在浮力的作用下停止時，讀取油尺上的刻度，即可得到油箱中的油量。油尺是最原始、簡單、可靠的油位測量手段，但是不能實現實時測量，也不能通過數據總線將油量數據提供給飛行控制系統，因此無法實現其智能化。
2.浮子式油位傳感器
早期的飛機上曾經用過浮子式油位傳感器。它是利用燃油的浮力來改變浮子的位置，并帶動電刷來改變電橋的橋臂阻值，對電橋的輸出進行測量即可得到液位。浮子式傳感器具有原理簡單、成本低等特點，但其測量范圍小，指示誤差大，容易發生故障，現在只在一些舊型飛機和小型飛機上使用。
近年來，人們對浮子式油位傳感器進行了改進，又提出了磁致伸縮式液位傳感器。磁致伸縮式傳感器利用磁性浮子來感受液位變化。測量時，液位計頭部發出低電流“詢問”脈沖，該電流產生的磁場沿波導管向下傳導。當電流磁場與浮子磁場相遇時，產生“返回”脈沖（也稱“波導扭曲”脈沖）。詢問脈沖與返回脈沖之間的時間差即對應油水界面和油氣界面的高度。其優點是測量精度高，結構簡單，可靠性高，抗干擾能力強，抗污染、抗振等性能均良好。但仍然不適合機燃油液位測量，原因是在該傳感器中仍然存在可動部件――磁性浮子，由機飛行過程中油箱晃動十分劇烈，磁性浮子不可避免的要與軸發生接觸和摩擦，這樣磁性浮子在飛機處于某些姿態時就有可能“粘”在軸上，無法回到正常液位。這種可靠性方面的問題限制了磁致伸縮式傳感器在飛機上的應用。
3.電容式油位傳感器
二戰以后，電容式油量測量技術開始在飛機上大量采用。從上世紀70年代開始，美、英、德、法、日等國相繼開始研究數字式電容式傳感器，采用雙余度的計算機，使用線性電容式傳感器測量油位，利用放射性元素Am241作放射源直接測量燃油密度，并通過飛機姿態傳感器的測量結果和油箱的形狀來綜合計算油箱中的剩余油量。由于其具有獨特的優勢，目前商用和軍用飛機仍然選用傳統的電容式傳感器，例如在波音公司的B787客機，空中客車公司的A380客機、A350超寬體客機以及洛克希德.馬丁公司的F35戰斗機全部都將電容式測量作為燃油量測量的首選技術。
早期的電容式傳感器為模擬式傳感器，它采用自平衡式測量電路將對應于燃油油量的電容量轉換為儀表盤中指針的轉角。為了克服“邊緣效應”（在電容電極邊緣處，電場線不再垂直于極板，因此在此處電容值不再與液位成線性關系），同時使被測液位與油量值成線性關系（為了充分利用飛機的內部空間，油箱被設計成與機體、機翼形狀相關的不規則體，而不是規則的柱狀體），模擬式傳感器中的內電極管被制成與油箱形狀有關的成型剖面，同時通過增加傳感器數量和采用補償傳感器（補償因燃油密度和溫度變化而引起的燃油介電常數的變化）等方法來提高燃油測量精度。但是由行中油箱姿態隨時可能發生改變，導致傳感器浸沒長度發生變化從而引起姿態誤差，同時燃油密度會隨著產地、溫度、氣壓的改變而發生變化，而燃油測量系統卻無法直接對密度進行測量，因此電容式傳感器測量精度較低，。此外由于傳感器需要進行非線性補償，致使傳感器的制造工藝相當復雜，系統的標定與校準過程也十分費時，顯然無法滿足新一代飛機的性能需求。
相比模擬式傳感器而言，數字式電容傳感器在精度和可靠性方面有了很大的提高，但仍無法克服電容式傳感器的一些固有缺陷。比如說標定校準困難、連接線復雜、水污染等等。
以上這些因素影響了電容式傳感器的性能和可維修性，并且在目前技術條件下尚無法克服電容式傳感器的這些缺點。由于電容式傳感器是目前飛機上最主要的液位傳感器，因此研究電容式傳感器的替代技術對機燃油測量系統性能的提高具有重要意義。
4.流量式燃油油量傳感器
在一般飛機燃油檢測過程中，流量式油量傳感器由于存在累積誤差而經常作為電容式液位傳感器的補充。即用渦輪式流量測量系統測量總油量，用電容式油量測量系統測量單個供油箱的油量。
流量式油量傳感器并不直接對油箱中的油位或油量進行測量，而是安裝在主供油管路上，對發動機的耗油量進行測量，并根據飛機起飛時的總載油量推算出油箱中的剩余油量。流量式傳感器主要有容積式渦輪流量傳感器和質量式渦輪流量傳感器兩種。
容積式渦輪流量傳感器是一種與流過的燃油體積流量成正比的電信號轉換器。當燃油流經傳感器時，傳感器中的葉輪在燃油的帶動下以某種轉速轉動，并通過磁轉子結構、磁開關結構或磁阻等原理轉變為電脈沖信號。在測量中，對單位時間內的電脈沖數進行計數，即可得到燃油的實時體積流量；同時將起飛后的體積流量對時間進行積分，再乘以給定的密度值，即可得到當前已消耗的燃油油量；最后用飛機的總載油量減去累計總耗量，從而得出飛機中的剩余油量，其計算公式為
影響渦輪式流量傳感器測量精度的主要因素有小流量誤差、溫度誤差和位置誤差。由機發動機由慢車狀態加速到全加力狀態過程中的耗油量在很大范圍內變化，因此流量傳感器在偏離設計流量時誤差增加，特別是在小流量狀態下。燃油黏度變化對測量精度也有影響，對燃油溫度變化較大的高速飛機，燃油黏度變化較大，黏度低的燃油流中速度分布比黏度高的燃油流中的更均勻，誤差也更小。渦輪式流量傳感器安裝在在水平位置（傳感器軸線平行于加速度矢量）或垂直位置（傳感器軸線垂直于加速度方向）一般不影響測量精度，但對于高速飛機，由于加速度大，對于水平安裝的傳感器，其軸向力大，因而誤差也大。
5.超聲波式燃油液位傳感器
超聲波傳感器是目前在飛機燃油測量中得到應用的唯一的新技術。波音公司的B777客機和洛克希德.馬丁公司的F22猛禽戰斗機率先采用超聲波式傳感器進行燃油測量，但是在使用過程中超聲波式傳感器出現了一些可靠性方面的問題，因此該方法還沒有得到實質性推廣。
超聲波式傳感器利用超聲波在不同密度介質分界面上產生反射的特性進行液位測量，其原理如圖2所示。傳感器由聲速計和探頭組成，在聲速計和探頭的底部都裝有超聲波發生器，發出的超聲波在遇到反射體和燃油-空氣界面后會被反射回油桶底部并被接收器接收到；聲速計中聲波至目標體的往返時間為TT，探頭中聲波至油面的往返時間為TS，D為發射器離目標體的已知距離，L為發射器離油面的位置距離。通過聲速計可測得燃油中的聲速為
這樣根據測得的超聲波脈沖信號的反射時間、油箱的液位-油量曲線，以及與燃油密度相對應的聲速數據，經微處理器處理和計算便可獲得油箱中的油量。
與電容式傳感器相比，超聲波傳感器測量精度更高，可達±0.2%；在油箱內部沒有電器件，安全性能高，抗電磁干擾能力強，外部接線也較為簡單；抗污染能力強，因為超聲波本身就具有清洗作用。但超聲波傳感器也存在一些缺點：盲區、姿態誤差以及泡和油-水界面反射等等。考慮到由機飛行過程中油箱晃動十分劇烈，可能會造成一定的姿態誤差，以及它所存在的盲區等因素，限制了超聲波式燃油液位傳感器在飛機上的應用。
6.電阻式油量傳感器
電阻式油量傳感器一般用來判斷特定點的油位情況。由機燃油油面晃動程度劇烈，因此該方法在測量飛機燃油液位上還沒有得到推廣應用。電阻式液位測量的敏感元件是熱敏電阻。熱敏電阻采用半導體材料制成，具有耗散特性，可以將溫度的變化轉換成電阻的變化。將傳感器的敏感元件安置在某一特定的液位高度，當液位上升或下降至預定高度時，由于熱敏電阻器件浸入或露出液面，從而改變了其電阻值的大小。這樣，通過檢測電阻值的變化，便可以探測在某一點高度的液位情況。熱敏電阻易于安裝，耐腐蝕、耐磨損，抗震性能好，耐沖擊，使用壽命較長，但是熱敏電阻的阻值也會隨著溫度變化而變化，所以要進行精確的液位測量，還需要對液體溫度進行一定的控制。
7.放射性液位傳感器
放射性液位傳感器雖然不能夠用來檢測飛機燃油，但對于一般要求不是很高的場合還是比較實用的。放射性液位傳感器是通過檢測具有放射性同位素射線α射線、β射線、γ射線的穿透和反射信號的強度來達到探測液位信息的目的。其中，γ射線的穿透力強，射程遠，故在核輻射液位測量中廣泛采用。實驗證明，穿過物質前后γ射線強度會發生變化。在放射線輻射源與檢測器之間有吸收物質時，由于射線強度會隨液位高度而改變，而檢測器的輸出與液位高度相關，通過檢測被吸收的能量大小，即可得出被測液位高度的信息。這種傳感器的測量原理使得它適用于易燃易爆，具有腐蝕性和毒性的測量環境。但是由于射線容易衰減，會導致測量的精確度不夠，還有危害人體健康的危險。
8.光纖液位傳感器
近年來，隨著光纖傳感技術和光電子技術的發展，已研制出各種形式的光纖傳感器。與傳統傳感器相比，光纖傳感器靈敏度高，抗電磁干擾能力強，耐高壓，耐腐蝕，質量輕，體積小，便于與計算機相連接，響應速度快，特別是其本質安全性使其在易燃易爆環境下仍然能夠安全使用。光纖傳感器的這些特點，使其非常適合機燃油液位測量。
這類測量系統一般還具有體積小、重量輕、無動作部件、安裝方便等優點，大多可適用于任何液位的測量與控制，特別適用于有腐蝕性的液體液位測量，精度很高。基于光纖傳感器的液位測量主要有以下幾種方法。
8.1泄漏模式螺旋形光纖液位傳感器
泄漏模式光纖液位傳感的原理如圖3所示。通過液位的變化，引起光纖泄漏模的變化，從而導致光強度發生變化來實現液位的測量。該傳感器結構簡單、容易實現、成本低，沒有可動部件，抗干擾能力強。雖然目前尚無可工業化應用的側面泄漏式光纖液位傳感器，但它的這些特點使其十分適合機燃油液位測量。
8.2遮光式光纖液位傳感器
遮光式光纖液位傳感器利用了傳統的浮子式液位計的原理，加上光纖傳光系統組成。如圖4所示，由光源發出的光，經光纖傳送到遮光轉盤，轉盤上均勻分布著一系列光窗，光窗位置的設計與液面高度相關。當液面高度變化時，浮子帶動遮光盤旋轉，測出通過遮光盤的光脈沖數目即可知道液面升高或降低的相對高度。它具有結構簡單，容易實施等優點，但是缺點精度不高，且只能測出液面的相對高度，系統體積也較大。對于測量飛機燃油液位來說，該傳感器利用了傳統浮子式液位計的原理，對油面晃動比較敏感，因此不太適合測量飛機燃油。
8.3磁式光纖液位傳感器
磁式光纖液位傳感系統如圖5所示，主要由導柱、浮體、液位探測器三部分組成。其原理圖中（1）表示遮光片，（2）表示浮體，（3）表示探測裝置，（4）表示彈簧片，（5）表示導柱，（6）表示光纖孔，（7、8）表示永久磁鐵。導柱嵌裝有等距排列的永久磁鐵，永久磁鐵磁極交替排列。導柱兩端分別固定在夾持件的兩端，主要作為磁性刻度尺和浮體升降的導軌使用。浮體為中空的圓環殼體，套裝在磁性導柱上，并漂浮在液體的表面，隨著液面沿著導柱上下移動。當浮體沿著導柱上下移動時，浮體內磁鐵將受到導軌上交替排列的磁鐵反復吸引、排斥，導致固定要彈簧片下端的遮光片也隨之左右移動，反復遮擋兩根相對位置的光纖。記錄光纖的通斷次數，就可以算出浮體移動的距離；即測得液面高度。該測量方法精度較高，但是體積較大，裝置過于復雜，用來測量飛機燃油液位還需改進。
8.4液面反射式光纖液位傳感器
反射式光纖傳感器是強度調制型的，原圖如圖6所示。平面反射鏡（液面）垂直于輸入和輸出光纖的光軸，當反射器前后移動時，耦合進輸出光纖內的光功率就會發生變化。在平面鏡之后距離為D的位置上形成了一個輸入光纖的虛像。因而，確定調制器響應的問題可以等效于計算虛光纖與輸出光纖之間的耦合。通過從液體表面反射又被光纖接收的光強信號的變化來探測液面的位移。這種測量方法能夠得到較高的精度，但是光纖和透鏡的位置對于精度有很大的影響。對機晃動的油面來說，這種測量方法也不太適合。
壓力變送器是工業生產實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，它用于檢測流體的壓力(實際上是壓強)，并目可以進行遠傳信號(4~ 20 mA)傳送，信號傳送到一次儀表或者機柜卡件進行信號轉換（電流信號轉化為可視的數字值）后進行壓力監控一種自動化控制前端元器件，在工業控制領域有著非常廣泛的應用。1151系列壓力變送器依其設計新穎、品種規格齊全、安裝使用簡便、堅固耐振、長期穩定性好、單向過載保護能力強為主要特征。但由于長時間投運，電了元件及其它器件的性能發生了不同程度的變化，會引起各種故障，使測量不準確，對工作危害極大，使運行工況無法進行有效的監測。大唐安徽淮南田家庵發電廠#5機組1997年投運后，就地大量壓力測點使用的就是該系列的壓力變送器，本文在總結多年的檢修實踐經驗的基礎上，從1151系列電容式壓力變送器的原理及傳感器組件的測試入手，對其常見的故障進行診斷分析。
1工作原理和傳感器組件的測試
1151電容式變送器的故障部位一般分為兩類:傳感器故障和電子檢測及放大轉換故障。傳感器一般不易出現問題，正常的情況下，一般不用過多考慮問題所在，應重點檢測電子電路部分。
1.1 1151電容式壓力變送器的原理
1151系列電容式變送器有一個可變電容的傳感組件，稱為“δ”室。該傳感器是一個完全封閉的組件。過程壓力、差壓通過隔離膜片和灌充液硅油傳到傳感膜片引起位移，傳感膜片和電容兩極板之間的電容差由電子部件轉換成4 ~20 mA的二線制輸出的電信號。
電子放大電路由解調器、振蕩器、振蕩控制放大器、電流檢測器、電流控制放大器、電流限制控制器、基準電壓、穩壓器等組成。通過它們對電容信號進行檢測，從而控制振蕩頻率，再將其轉換為電流輸出。電氣原理圖：
1.2傳感器組件的測試
傳感器有故障時，一般不能在現場修理，只有更換。如果沒有發現諸如隔離膜片損壞、漏油等現象，則對傳感器組件可按下列步驟來檢測:
(1)小心地從插頭座上拔出傳感器組件引出線插座；
(2)檢查內部二極管電路的正、反向偏置:一個回路是紅線與黃線，另一個回路是綠線與藍線，其原理如圖1所示。用萬用表正極接紅線，負極接黃線，其串聯回路D1、D2、D5、 D6、R4阻值之和應與測綠線和藍線的串聯回路D3、D4、D7、D8、R5的阻值之和接近或相等。
( 3)檢查傳感器組件外殼和此四線的電阻，也就是檢查電容極板和接外殼的傳感膜片之間的電阻，其阻值應大于10 M Ω，由此判斷電容故障點。
2 常見故障診斷分析
2.1信號輸出過大
2.1.1故障現象
在沒有壓力(差壓)的情況下，變送器輸出電流(mA)數過大，有時超量程，調整零點及量程電位器不起作用。
2. 1. 2故障分析
出現此故障的電路部分較多，目經常損壞的是電路的后極，即電流控制放大器到電流控制輸出部分。其結構如圖2所示。 IC3為電壓放大器經V轉換為mA輸出。用萬用表直流電壓擋測IC3的3腳電位值，調節量程或零點，3腳電壓有變化，說明前極回路正常。同時測量6腳輸出應有放大的電壓信號輸出。從而判斷IC3及偏置回路是否正常。若6腳電壓始終很高(接近電源電壓)，則可判斷為IC 3損壞，更換同型號LM 308即可。若IC3 正'常，則用萬用表測量V17、V18是否擊穿。在實際檢測中，經常遇到V17、V18擊穿致使輸出過大。
2. 2信號輸出過小或無輸出
2. 2. 1故障現象
(1)增加壓力，變送器信號輸出值不增大;
(2)有壓力，但變送器無信號輸出。
2. 2. 2故障分析
先應檢查引壓管是否漏氣或者被堵住以及對節點是否存在跑冒滴漏現象，如果確認不是，檢查接線方式，如接線無誤再檢查電源，如電源正'常再察看傳感器零位是否有輸出，或者進行簡單加壓看輸出是否變化，有變化證明傳感器沒有損壞;最后檢查加到變壓器兩端的電壓是否正'常;集成運算放大器兩端電壓是否正'常;判斷振蕩電路是否起振;量程、零點、電位器調節電壓是否變化及15Ω量程負載電阻是否損壞。用檢測輸出過大的方法檢測后極電路，判斷后極電路是否正常。
2. 3信號輸出不穩定
2.3.1故障現象
壓力一定的情況下，變送器輸出信號值出現不規則的跳動。
2.3.2故障分析
在排除壓力源本身是一個不穩定的壓力、儀表或壓力傳感器抗干擾能力不強、傳感器接線不牢、傳感器本身振動很厲害、傳感器故障等因素后，應檢查變壓器是否有間歇性的短路、開路和多點接地的現象;檢查加到變壓器的電壓是否穩定正常；穩壓電路是否正常；檢測各個穩壓二極管、測試振蕩頻率是否穩定;電路板有無虛焊。
2. 4信號輸出非線性
2. 4. 1故障現象
加壓時變送器輸出不變化，再加壓變送器輸出突然變化，泄壓變送器零位回不去。
2. 4. 2故障分析
產生此現象的原因極有可能是壓力傳感器密封圈引起的。一般是因為密封圈規格原因(太軟或太厚)，傳感器擰緊時，密封圈被壓縮到傳感器引壓日里面堵塞傳感器，加壓時壓力介質進不去，但是壓力很大時突然沖開密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化，而壓力再次降低時，密封圈又回位堵住引壓日，殘存的壓力釋放不出，因此傳感器零位又下不來。排除此原因的最佳方法是將傳感器卸下，直接察看零位是否正常，如果正'常更換密封圈再試。