电容式（共11篇）
1.电容式 篇一
电容式压力变送器工作原理分析以及现场故障检查方法
工作原理
电容式压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两个压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。电容式压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。电容式压力变送器和电容式绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。电容式压力变送器的A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。
施工现场出现的故障，绝大多数是由于使用和安装方法不当引起的，归纳起来有几个方面。
1．一次元件（孔板、远传测量接头等）堵塞或安装形式不对，取压点不合理。
2．引压管泄漏或堵塞，充液管里有残存气体或充气管里有残存液体，变送器过程法兰中存有沉积物，形成测量死区。
3．变送器接线不正确，电源电压过高或过低，指示表头与仪表接线端子连接处接触不良。
4．没有严格按照技术要求安装，安装方式和现场环境不符合技术要求。
以上出现的故障都会引起变送器输出不正常或测量不准确，但经过细心检查，严格按照技术要求使用和安装，及时采取有效措施，问题都可以排除，对不能处理的故障，应将变送器送到实验室或生产厂家做进一步检查。
2.电容式 篇二
触摸输入方式已经在许多的领域得到了应用,例如手机触摸屏、MP3触摸滑条、抽油烟机触摸按键等。触摸输入方式采用非接触式按键技术,相对于普通的机械式按键,有更长的使用寿命,并且可靠性不会随着时间的增加而降低[1]。其次,触摸控制器还有开发周期短、研发成本低的优点。
根据采用触摸传感器类型的不同,触摸输入方式可以分为电阻式、电波式(如表面声波)、光学式(红外线)、电感式、电容式和电磁式等几种类型。每一类型都有自己的优缺点以及适用场合。近年来,电容式触摸输入方式凭借其工艺成本低、触摸检测方便和硬件免维护等特点,成为触摸输入方式的主要选择。传统的触摸按键技术采用一些专有的芯片,例如Cypress公司的Cap Sense型芯片CY8C21x34,利用内部特有的CSD模块,根据电磁感应的原理和张弛振荡器技术实现电容感应触摸,但是专有芯片价格过高。
本研究采用通用型的PSo C微处理器,构建低成本的电容式触摸系统。电容式触摸按键技术电路简单,只需要一个微处理器和一些外围电路就可以实现按键检测和控制,因此特别适用于许多家用电器。
1 电容式触摸控制原理
PCB板上的金属层Capsense到地GND之间有个分布式电容CP,如图1所示。电路板上方的表面覆盖层一般用玻璃或者塑料。要使触摸按键正常工作,厚度一般不得大于5 mm。当手指接触到表面覆盖物后,手指与金属层产生一个大小为CF的耦合电容。如图2所示,这个电容相当于并联到原来的CP之上,因此对于电容传感器,触摸前电容值为CP,触摸后电容变为CP+CF。根据平行板电容的定义,有:
式中,真空介电常数ε0=8.85×10-12C2/N·m2,玻璃的(相对)介电常数εr≈7.8,假设玻璃厚度d为4 mm,电极面积A为1 cm2,可得出CF=17.26 p F。
由此可知,通过测量手指触摸前后PF级电容值的变化,就可以检测触摸按键是否被按下。
2 基于PSo C的电容式触摸按键设计
2.1 整体结构设计
PSo C(Programmable System on Chip)器件是Cypress半导体公司推出的一种可“在系统编程”的片上系统[2],它将一个8位微控制器与可编程数字阵列、模拟阵列集成在一个芯片上。其特点在于既具有8位微控制器的处理能力[3],又具有组成多种可编程数字或模拟用户模块的能力。但与一般单片机不同的是,它几乎不需要外部电路,一片PSo C就可以实现一个电子系统,因此特别适合用于家电中。
PSo C系列微处理器按照其用途分为通用型(如CY8C24423)、Cap Sense型(如CY8C21x34)和USB型(CY8C24x94)[4]。其中Cap Sense型芯片利用内部特有的资源,根据电容感应的原理和张弛振荡器的技术实现触摸感应,Cap Sense技术虽然几乎不需要外围元件,但是芯片内部的CSD模块占用了较多的内部资源(3个数字模块,3个模拟模块),系统的功耗较通用型大。另外,Cap Sense型芯片本身价格比通用型贵大约5~10倍,鉴于以上原因,下面提出使用通用型芯片CY8C24423加上少量外围元件构建低成本触摸控制电路的设计方案。系统的结构如图3所示,首先单片机发出PWM波到触摸按键控制电路,当按键按下时检测到电压变化[5],然后将压降通过单片机的模拟多路复用器AMUX8送入PGA模块放大后再送入AD-INC12处理。如果压降在有效的范围内就认为有按键按下,不同按键的按下选择抽油烟机不同的档位。
2.2 硬件设计
2.2.1 PSo C芯片配置
在PSo C Designer中配置如下,用到的用户模块包括8位脉冲调制PWM8、12位增量型模数转换器ADINC12、可编程增益放大器PGA。另外还有8选1模拟多路复用器AMUX8,它不占用任何PSo C模块[6],提供一个连接至连续时间模块(CT)的8路模拟信号复用器。
全局资源配置:单片机采取5 V供电,最高频率24 MHz。VC1=12 MHz、VC2=1 MHz、Res Mux=(Vdd/2)+/-(Vdd/2);可知PWM8模块采用VC1作为时钟,所以要输出频率为1 MHz,占空比q=10/12的波形。
根据下式:
可得:Period=11,Pulse Width=9,PWM波通过PWM8的Compare Out连接至Port_2_7输出;ADINC12占用两个数字模块,一个开关电容模块SC,需要注意的是3个模块必须使用相同的时钟,否则运行将出现错误。这里统一采用VC2即1 MHz。ADINC12的输入为ACB01,即将PGA的输出作为其输入;PGA模块的输入信号通过AMUX8的Analog Input_Column Mux_n(n=0,1)端口输入。PGA的输出电压为:
式中:VSS=0 V,Gain=1.000。
2.2.2 电容式触摸控制电路设计
根据电容感应的原理,只需测量手指触摸前后电容值的变化,就可以知道是否有按键按下。但是,直接测量PF级的电容变化比较困难,而检测几百毫伏的电压变化要容易得多,所以只需要将电容的变化转化为电压的变化,就可以实现对触摸的检测了[7]。给工作面通上一个电压很低的高频交流信号(1 MHz的PWM波),当手指触摸时就会从触摸区吸走一个很小的电流,于是经过滤波后的输出电压就会有所下降。电容式触摸按键控制电路如图4所示,在电阻R6端输入高频的PWM波,首先通过耦合电容C2滤波,然后经过D1整波。C1通过R11充电,通过R16放电,当手指放到触摸区时,手指吸走一小部分电流,导致C1两端的电压降低。从而KEY处输出电压也会下降,该信号的变化被微处理器的ADC检测到并进行处理。
2.3 软件设计
电容式触摸按键软件部分主要包括:主程序、硬件初始化模块、灵敏度测试调整模块、按键扫描模块以及各个按键子功能模块,程序流程图如图5所示。
系统上电后,由于电压不能立刻到达5 V,但是A/D已经开始采样,可能会导致前几次采样值低于没有按键按下情况的电压均值,而产生按键误判。因此主程序中要编程舍去前几次采样值,经测试舍去前7次采样值便可以解决上电误判问题。通过灵敏度调整模块可以调整按键的灵敏度,以适应不同材料、不同厚度的表面覆盖层[8]。
另外系统设置了低功耗唤醒模式,系统初始化后,当没有按键按下时系统进入休眠模式,经过一段时间的延时后唤醒按键扫描模块,进行按键扫描,如果有按键按下,软件判断是否有效,如果无效按键按下,系统继续进入休眠模式。如果软件判断有效按键按下,那么唤醒系统,触发任务处理进程。当处理完所有的任务后,系统又重新进入休眠状态。该系统通过软件实现每20 ms唤醒一次按键扫描模块,判断是否出现有效按键按下,从而实现低功耗唤醒模式,低功耗同时又能保持在按键按下时能快速地响应。
3 测试与结果
测试环境如下:将系统板密封起来固定好,表面覆盖5 mm的塑料板。经测量,当按键没有按下时,KEY输出波形如图6所示,按键的平均电压在2.68 V左右。当按键按下时,KEY输出波形如图7所示,平均电压降到2.43 V左右,压降有0.25 V左右。因为测量值是在手指放在触摸区一段时间所得,为增加按键的灵敏度,应该取一个小于该值的电压变化作为有效的压降。经过反复的实验测量,该系统能检测到最低压降为0.05 V认为按键按下。在密封好的测试环境下,通过温度测试、湿度测试、水淹测试和电磁干扰测试,最终选取有效阈值为0.08 V,这样既保证了高灵敏度,同时避免了按键误判而降低系统的可靠性。
4 结束语
通过分析电容式触摸的基本原理,提出了使用PSo C通用型芯片设计低成本电容式触摸按键的方案,并给出了具体的软硬件设计方法。系统具有触摸检测灵敏度可调节的特性,提高了触摸的精确度和灵敏度。当不工作时系统进入低功耗唤醒状态[9],这样可以在保证产品正常使用的前提下,最大限度地降低控制器的待机功率,既绿色节能又能大大提高它在手机、MP3、PC外设、遥控等便携式低功耗产品中的推广普及程度[10]。最后的测试结果表明,该触摸按键具有灵敏度高、误操作率低的特点,具有一定的实用价值。
参考文献
[1]陈林.轻松实现电容式触摸感应按键开关设计[J].电子产品世界,2009,16(10):74
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[3]Cypress MicroSystems.CY8C20234,CY8C20334,andCY8C20434 Final Data Sheet[M].Cypress MicroSystems,2005.
[4]Cypress MicroSystems.CY8C24123,CY8C24223,andCY8C24423 Final Data Sheet[M].Cypress MicroSystems,2004.
[5]叶朝辉,华成英.可编程片上系统(PSoC)原理及实训[M].北京:清华大学出版社,2008:84-92.
[6]高申勇,张颖,曾红.一种电容式触摸输入模块设计[J].杭州电子科技大学学报,2009,29(2):56-60.
[7]袁忠根.一种基于PSoC的电容感应式触摸按键系统的设计与实现[D].上海:上海交通大学,2008:30-42.
[8]韩俊,戎蒙恬.低成本电容式触摸按键设计[J].信息技术,2006,30(8):42-45.
[9]朱明程,李晓滨.PSoC原理与应用设计[M].北京:机械工业出版社,2008.
3.电容式 篇三
关键词：电容式电压互感器 介质损耗 高压介损仪
电介质（绝缘材料）在有外加电压作用下，会使部分电能转变为热能，使电介质发热。电介质损耗的电能被称为介质损耗。介质损耗过大会造成绝缘温度上升，且损耗愈大，温度就愈高，如果介质温度高得能使绝缘体烧焦、熔化，那么绝缘体就会失去绝缘性能而被热击穿，甚至产生爆炸。电流互感器的爆炸事故主要是由于绝缘局部放电或是受潮，聚集大量能量形成热击穿，使设备内部压力不断增加，以致超过外瓷套的强度造成的。
介质损耗的测量可以发现电力设备绝缘劣化变质、整体受潮以及小体积被试设备贯通和未贯通的局部缺陷，在电力设备交接、电工制造及预防性试验中得到了广泛应用。
一、电容式电压互感器结构
用于继电保护、电压测量、载波通讯的电容式电压互感器，简称CVT，已取代电磁式电压互感器，在35~500kV变电站的母线和线路上都获得了广泛应用。由于设备处于高电压运行环境，其绝缘状态会受到外部潮气和污秽侵蚀的影响，会遭到系统操作或雷电等过电压的侵害，于是需要人们对CVT进行常规预防性试验，测量其绝缘的介质损失角正切，诊断其运行状态，以保证其安全、准确、可靠地运行，这成为电力行业的一项重要任务。
CVT可以分成两个主要部件：一是电容分压器，由高压电容器C1及中压电容器C2组成，110kV CVT的C1(C11、C12、C13)、C2共装于一个瓷套内， 110kV以上产品为C，分别装于多个瓷套，并且一部分C1与C2装于一个瓷套内；二是电磁单元，外形是一个铁壳箱体，内部有中间变压器、补偿电抗器、阻尼器及补偿电抗器两端的限压器，靠电磁感应原理给出二次电压输出，达到测量母线或线路电压的目的。由于C2上的电压会随负荷发生变化，为此在分压回路中串接一个电感L，使之与电容(C1十C2)产生串联谐振，借以补偿负荷电流流过电容所产生的电压降，使电容分压器输出电压稳定，不受负荷电流变化的影响。因为在二次电压回路中电压较低，电流较大，如果仅用电容分压，要得到57.7V的低压，一则C2电容量须很大，二则因电流大，所以阻抗电压降将影响到互感器的准确度，故电容分压器的输出端不能直接与测量仪表相接，而要经过一个电磁式电压互感器降压后再接仪表。国产CVT大部分采用电压为13kV的电容器C2(也即分压变压器的一次电压)，与电压比为13kV/(57V～100V)的电磁式电压互感器结合起来。电磁式电压互感器的一次侧并接在C2两端，具有供调整比差用的可调整线圈，二次侧有多个绕组，分别是主绕组(al，x1)、(a2，x2)等，其额定电压为100V，用于测量或保护；另一个为辅助二次绕组(af，Xf)，其额定电压为100V，用于监视三相电压平衡度。
二、介质损耗原理分析
1.介质损耗分类
按绝缘材料介质损耗的物理性质，可以分为以下几种基本形式：
（1）漏电导损耗：任何电介质总有一定的导电能力。所以，在电压作用下电介质中流过泄漏（电导）电流，造成能量损耗。这种损耗在交、直流电压作用下都存在。
（2）极化损耗：电介质在交流电压作用下，发生周期性的极化。此时介质中的带电质点（主要是离子）在交变电场作用下，做往复有限位移并重新排列，这种损耗称为极化损耗。如果电源频率增加，质点往复运动的频率也增加，极化损耗增大。在交流电压作用下，电介质（指不均匀的）的夹层极化反复引起电荷重新分布（吸收电流），这个过程也要消耗能量。
（3）局部放电损耗：常用的固体绝缘材料中总有气隙（或油隙）。绝缘材料各层的电场强度几乎与该层材料的相对电容率（介电系数）ε成反比。气体的介电系数较固体绝缘材料低得多，所以气隙部分的电场强度较大。但是，气隙的耐压强度却远低于固体绝缘材料。
2.高压介损仪工作原理
通过一个可程控的调频调幅变频电源，产生40～70Hz可调的正弦波，经过激磁变压器，驱动谐振回路工作，最终输出试验要求的电压，加到被试电流互感器上。经过电流互感器的三相被试回路的电流信号，以及标准回路的电流信号，通过高压介损测量板高精度实时高速采样，并经单片机分析计算，从而得出被试品的电容量及介损值。
三、高压介损检测绝缘缺陷实例
某单位1台LCWB2-220W 电流互感器在预试中被发现tanδ较上一次试验值有较大增长，但在合格范围内，且电容量无变化。为准确判断互感器绝缘水平，进行了高电压下的介损测量。
从试验数据可以看出，该只电流互感器在10kV时介损试验合格，但电压升至运行电压 127kV后，介损tanδ变化值为 0.8％，远远超出了《电力设备预防性试验规程》要求的±0.3％范围，应退出运行。用油色谱分析气体组分明显发生变化。
通过tanδ－U曲线和油色谱数据分析，该互感器存在严重绝缘缺陷，tanδ－U曲线与局部放电缺陷的曲线形状大体一致，解体检查无缺油现象和受潮痕迹，外观上未见异常。因此判断互感器局部放电缺陷，油中由于存在放电而产生了大量气体，如继续运行有可能在运行中造成绝缘损坏，后经互感器局部放电测量验证，互感器存在局部放电绝缘缺陷。由本例可见高压介损试验发现绝缘缺陷的有效性，该电流互感器10kV介损合格，若不进行高电压下介损试验，很难发现绝缘缺陷，继续投入运行势必会给电网安全造成隐患。有许多这样的例子，试验结果合格的电流互感器运行中却发生故障，甚至引起爆炸，这主要是因为10kV下的介损测量很难发现一些内部潜在的缺陷和高电压下的局部放电性的缺陷。可见，进行高电压下的介损试验对进一步分析判断绝缘的性质是十分关键的。
四、结论
从上述高压介损监测绝缘缺陷试验可以看出，合格的电流互感器运行中经常发生故障，需要在高电压下做介损试验，判断绝缘的性质。
参考文献：
[1]王亚辉.介质损耗测试仪变频电源研究[D]．石家庄：河北农业大学，2005.
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[4]宋庆贵，高升云.220KV电流互感器运行电压下的介质损耗测定[J].黑龙江电力，2004，（3）.
4.《电容器的电容》听课报告 篇四
郑老师这堂课共有四次单独的师生交流问答，这四次问答都是本节课的重点和难点。
第一个问题是充放电过程各物理量的变化情况；
第二个问题是充放电过程能量的转化，这是一个难点，郑老师很好的用放电过程石英表的走动，说明电能转化为机械能，再而说明充电过程储存了电能；
第三个问题是能不能用电量或电压来表达储存电荷的本领时，学生的`回答与郑老师的预设是截然相反的`，这属于课堂的生成，郑老师不慌不忙地在黑板上画出一个充电过程，用一节电池和用两节电池给同一个电容器充电问学生哪个充的电量多？结合图像，两板电势差的高低，学生理解了两节电池充电，充的电荷多，从而说明不用电压或电荷来描述电容器储存电荷的本领。
5.电容式 篇五
一、通过认识电容器图片加实物导入，学生的认识直观新奇，更容易激发学生兴趣。本节课常常采用照相机的闪光灯演示导入或用电路板的图片导入，学生印象不勾深刻，加入实物以后，学生动手的机会多了，课堂气氛更加活跃。
二、运用科学的教学方法突出了重点和难点。本节课的重点是电容的定义式和平行板电容器的运算公式，我主要采用了类比法来解决。用电阻器与电阻的关系类比电容器与电容器的关系，用水杯盛水类比电容的定义式，用平行板电容器的正对面积和距离的变化类比电容的串并联，更加深入浅出，能更好的帮助学生进一补理解和掌握。
三、知识拓展，深化内容。电容器的充放电过程十分抽象，难于理解，我运用电容器的各种作用帮助学生理解其工作过程，淡化电荷运动的微观部分，增强趣味性。
在讲课的过程中也感到了一些困惑和不足之处：
一、学生对电容器的认识不足，对于抽象的概念，理解的还是较为困难，导致教师讲解时间长，教师感觉有点曲高和寡，到分组操作时才好一些
二、学生动手操作时间较短，有的学生觉得意犹未尽，在以后的教学过程中可以适当增加实训时间，甚至把这节课的内容从重点讲解演示调整为分组实验，可能效果会更好。
6.电容器与电容教学案+同步作业1 篇六
1．电容器
电容器与电容
（1）两个彼此 又互相 的导体都可构成电容器。两极板分别带上了等量异种电荷，这过程叫做充电。充电后电容器两极板就有电势差，________ 叫做电容器的电量。
（2）如果充电后的电容器的两极板用_________接通,两极板上的电荷将_____________，电容器就不再带电，此过程叫做放电。2．电容
（1）电容在数值上等于______________________________________;其定义式为___________;国际单位制中,电容的单位为_________，简称_______，符号为________。
（2）电容器的电容与电容器所带的电荷量_________，与电容器的电压________,它由电容器本身的__________决定；平行板电容器的决定式：______________________。
3．关于电容器两类典型问题分析方法：
（1）首先确定不变量，若电容器充电后断开电源，则 不变；若电容器始终和直流电源相连，则 不变。
（2）当决定电容器大小的某一因素变化时，用公式 判断电容的变化。（3）用公式 分析Q和U的变化。
（4）用公式 分析平行板电容两板间场强的变化。针对训练
1.关于电容器及其电容,下列说法中正确的是
QU
（）
A.平行板电容器一板带电+Q,另一板带电-Q,则此电容器不带电 B.由公式C=可知,电容器的电容随带电荷量Q的增加而增大
C.对一个电容器来说,电容器的带电荷量与两板间的电势差成正比 D.如果一个电容器两板间没有电压,就不带电荷,也就没有电容 A．将两极板的间距加大，电容将增大
B．将两极板平行错开，使正对面积减小，电容将减小
C．在下板的内表面上放置一面积和极板相等、厚度小于极板间距的陶瓷板，电容将增大 D．在下板的内表面上放置一面积和极板相等、厚度小于极板间距的铝板，电容将增大 3．如图所示的实验装置中，平行板电容器的极板与灵敏的静电计相连，极板接地，若极板稍向上移动一点，由观察到的静电计指针的变化作出平行板电容器电容变小的结论的依据是（）
A．两极板间的电压不变，极板上的电量变小 B．两极板间的电压不变，极板上的电量变大 C．极板上的电量几乎不变，两极板间的电压变小 D．极板上的电量几乎不变，两极板间的电压变大
【典型例题】
题型1 电容动态分析问题
【例1】如图所示是一个由电池、电阻R、电键K与平行板电容器组成的串联的电路，电键闭合。在增大电容器两极板间距离的过程中（）
用心 爱心 专心
课题：6.5 电容器与电容 编制：王昭民 审核：于正华 班级 姓名 1．下图所示是描述对给定的电容器充电时电量Q、电压U、电容C之间相互关系图象,其中正确的是（）
2．如图所示，平行板电容器A、B间有一带电油滴P正好静止在极板正中间，现将两极板间稍错开一些，其它条件不变。则（）
A．油滴将向上加速，电流计中电流由b流向a
B．油滴将向下加速，电流计中电流由a流向b
C．油滴将静止不动，电流计中电流由b流向a D．极板带电量减少，两板间电势差和场强不变
3．传感器是一种采集信息的重要器件,可将压力的变化情况转化为电信号.如右图所示是一种电容式传感器的部分电路,A为固定电极,B为可动电极,组成一个电容大小可变的电容器.当待测压力F施加在可动电极B上时,可动电极可以向上下平行移动,从而改变了电容器的电容.（1）图中S一直闭合,如果施加图中所示的压力F,可以观察到原来静止的带电小球将要（）
A.静止不动
C.向上运动 B.向下运动
D.无法判断
（2）如果图中S闭合一会后打开,再施加图中所示的压力F,结论如何?（）（3）如果在原图中增加一个二极管,如右图所示,图中二极管只允许电流从c流向d,不允许电流反向通过,S一直闭合,其他条件不变,结论又是怎样?（）4．一平行板电容器充电后与电源断开，负极板接地。在两极板间 有 一正电荷（电 荷量很小）固定在P点，如图所示，以E表 示两极板间的场强，U表示电容器的电压，ε表示正电荷在P点的电势能。若保持负极板不动，将正极板移到图中虚线所示的位置。则（）A．U变小，E不变 B．E变大，ε变大 C．U变小，ε不变 D．U不变，ε 不变
5．如图所示，有的计算机键盘的每一个键下面都连一小块金属片，与该金属片隔有一定空气隙的是另一块小的固定金属片，这两片金属片组成一个小电容器，该电容器的电容C可用公式C=εs/d计算，式中常数ε=9×10F·m，S表示金属片的正对面积，d表示两金属片间的距离。当键被按下时，此小电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出是哪个键被按下了，从而给出相应的信号。设每个金属的正对面积为50mm，键未按下时两金属片的距离为0．6mm，如果电容变化了0．25PF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下多少mm?
7.微型电容式振动能量采集器设计 篇七
关键词：电容式,微型,能量采集器,MEMS工艺,驻极体
0 引言
在卫星通讯和环境监测等诸多系统中, 都要用到便携式无线传感器[1,2,3,4,5]。目前这些设备的电能供给通常采用的是传统微型电池供电, 电池寿命短, 能量耗尽需频繁充电及更换。而无线传感器[6]的使用寿命一般较长, 节点分布广泛, 在某些情况下传感器工作位置难以触及, 电池更换难以进行, 因此, 出现了能够通过各种形式将周围存在的能量 (热能、风能、电磁能、太阳能、振动能) 转化为电能, 通过电路并将其储存在电容或者电池等储能元器件中的能量采集器。目前大多数关于能量采集器的研究都以研究采集振动能为主, 国内研究压电式振动采集器较多[7,8]。由于电容式震动能量采集器与MEMS (微机电系统Micro-Electro-Mechanical Systems) 技术有着很好的兼容性, 本文对电容式震动能量采集器进行了研究。
1 基本原理和分析模型
1.1 电容式能量采集器的基本原理
电容式振动能量采集器是利用辅助设备使处于运动状态的电容极板上的电压或者电量保持不变, 当振动造成电容量的变化时, 电容的电压或电量也发生改变, 通过负载, 电容外部电路形成电压, 从而完成机械振动能到电能的转变[9]。
用来使电容极板维持电压或电量保持恒定的辅助设备采用集成在采集器内部驻极体, 通过附电, 能使其永久性带电[10,11]。
1.2 电容式能量采集器的分析模型
几乎所有的振动能量采集器的运动特性都可以用质量—弹簧—阻尼模型来分析, 如图1所示。图1中, 质量块相对于地面的运动位移为x (t) =y (t) +z (t) , y (t) 为壳体相对于地面的运动位移, z (t) 为可动电极的相对位移, k为能量采集器中弹性体的等效弹簧刚度系数, dm、de分别为机械阻尼系数和静电场阻尼系数。可动电极和固定电极形成一个可变动容, 通过振动, 引起可动电容极板的运动, 改变了电容极板之间的距离, 电容量也相应变化[12]。
分析上述质量—弹簧—阻尼模型时, 提出了一些假设性的条件: (1) 振动源的质量远远大于质量块的质量; (2) 振动源能够提够无限的振动能量。而在弹簧—质量系统中, 很多情况下受到阻尼力de、dm。机械阻尼类似于寄生电阻, 是由于空气流动因素产生的。对于一个自由运动的质量块振动, 希望最大程度上减小系统的机械阻尼, 从而减小能量的流失。然而, 电阻尼的存在对设计振动式能量收集器又是有利的。因此两种阻尼系数的值取决于能量采集器的设计以及能量转化的机制[12]。
2 电容式能量采集器的结构设计
电容式振动能量采集器的整体结构图如图2所示, 在工作载荷为1 g和振动频率为100 Hz的设计条件下, 设计要求是使得能量采集器的电容量和相对电容量的改变量尽可能的增大, 从而增加输出能量。
可变电容式能量采集器主要依靠电容电极间距或电极面积的变化来获得可变电容。采用高掺杂硅片作为电容极板, 将一块可动电容极板 (上) 和一块固定电容极板 (下) 由中间层连接, 形成一个可变电容。在固定电容极板的内侧平面上镀上一层氧化硅层, 可作为驻极体材料。
为了使上电容极板移动, 在上下电容极板之间用弹性材料连接, 将四小块弹性块装配在能量采集器中间层的四个角落, 连接上下两块电容极板。
为了获取较大的位移, 在可动电容电极之上附加一个10 mm×10 mm×2.1 mm铜质量块。
3 材料和加工工艺
3.1 材料的选用
目前, 大多基于MEMS技术的电容式振动能量采集器中, 弹簧系统都由硅材料制作的梁来代替。但是硅梁的制造工艺复杂, 在实际工作中, 如果外部载荷过大, 将导致梁的断裂。因此采用二甲硅氧烷 (PDMS) 高弹体代替硅梁来增加采集器的稳定性。
Si O2具有极高的电荷密度和长时间的稳定性, 而且加工简单, 因此选用Si O2作为驻极体材料。
3.2 加工工艺
取10.16 cm、525μm厚度的硼掺杂硅片, 电阻值为0.01~0.02Ω·cm。硅片正面氧化生成0.25μm厚致密的二氧化硅层作为驻极体材料。切割成20mm×20 mm作为硅电极。
将PDMS基本组分和固化剂以重量比10∶1混合, 混合好后的PDMS试样将移入真空干燥器中进行抽真空, 消除气泡, 倒入硅电极正面, 然后在4 000r/min的转速下进行旋涂加工。旋涂完成后, 在90℃进行PDMS的固化。PDMS尺寸为300μm×300μm×15μm。
对二氧化硅层即驻极体表面附电, 并进行芯片切割, 与另一块芯片进行黏合。
4 电容式能量采集器的性能
4.1 位移计算
PDMS弹性块结构可以视为弹簧结构, 按照胡可定律计算它的受力变形量。PDMS受力变形图如图3所示, 将PDMS弹性块底端固定, 另一端施加载荷。PDMS弹性块将受到正压力或者剪切力。其也在Z或X-Y方向发生相应位移变化, 分别可由公式 (1) 和公式 (2) 计算得出[13]:
式中:△Lz, △Lx-y分别为Z及X-Y方向发生相应位移;F为载荷;L为PDMS弹性块的厚度;E为杨氏模量;G为切变模量;A为PDMS弹性块横截面面积。
根据能量收集器结构尺寸和PDMS材料的特性参数, 在载荷1 g的加速度下, 计算出动极板不同方向上的位移。
在仅重力下的初始位移△L0为2.77μm, △Lz为5.11μm, △Lx-y为7.06μm。
4.2 电容量计算
图4为基于驻极体的电容式振动能量采集器的可动电容极板在Z方向和X-Y方向运动的结构和控制线路简图。
可动电容极板 (上) 和与之平行的带有驻极体的固定电容极板 (下) 形成一个可变电容。通过振动, 可动极板在Z方向运动如图4 (a) 所示, 电容值C1也在不断的变化。在移动极板运动过程中, 弹性块一方面可以起到弹簧的作用带动运动极板运动;另一方面, 弹性块可以作为机械挡块, 防止两极板的接触碰撞。弹性系统的共振频率可以同过对比振动频率设计, 将其输出系统的能量达到最大。本设计的振动频率为100 Hz。驻极体一旦被附电, 其电量是恒定值Q, 并且任何时候都有Q=Q1+Q2。Q1为上极板所带电荷量, Q2为下极板所带电荷量。极板运动时, 导致内部电荷重新排布, 通过一个外接电阻R产生电流[14]。
在图4 (a) 中, d (t) 是两电容极板之间的距离, 电容量的改变通过改变两电容极板之间的距离。电容的电容量的可由公式 (3) 计算而得[15]:
式中, CTOT是电容的电容量;εo、εr、ε分别是真空介电常数, 材料的相对介电常数 (空气εr=1) 和驻极体的介电常数;A是电容极板面积;d2是驻极体的厚度。
在图4 (b) 中, A (t) 是两电容极板之间的重合面积, 电容量的改变通过改变两电容极板之间的重合面积。电容的电容量的可由公式 (4) 计算而得[15]:
8.电容式 篇八
【摘 要】针对玉米颗粒粒径大，在测量时产生的缝隙大，不容易精确测量等问题，本文研究电容法测玉米水分，并设计了电容传感器及直流充放电检测电路，低漂移、测量精度高。从而提高了测量效率，降低损耗。
【关键词】电容式；水分传感器；测量电路
引言
玉米水分含量是影响玉米安全运输、储藏等的主要因素，也是用于饲料、食用及工业中必不可少的测量部分。国内外学者研究多种检测玉米水分的方法，包括电容法、干燥法、化学法、电测法、近红外线法、中子法、核磁共振法、声学法等[1-2]。在诸多玉米水分测量方法中，电容法以其结构简单、成本低、易于在线测量等优点成为水分检测的主要方法。
近年来许多国家的研究人员非常重视玉米水分测量技术的发展，随着玉米水分测量的方法不断产生，先进的水分测量方法和仪器正在被推广和使用。目前，国内对于测量水分的方法和测量系统处于刚开始的阶段，主要是从理论上对水分测量系统进行分析。近几年来，出现各种转换电路的谷物水分测量系统，由于采用的转换电路的不同，测量出来的水分也有区别。另外，国内专门对玉米水分检测的仪器几乎没有，而影响玉米水分的因素有种类、空隙、温度、转换电路的电压差、容积密度、环境的相对湿度[3]，还有操作人员的操作方法等，而目前的水分检测系统虽然能够检测玉米的水分，但是大部分都没有充分考虑这些因素，导致检测精度不是很理想、重复率不高。
1.电容式水分传感器
1.1圆柱形电容传感器
结构图如图1所示，由内外两个同轴电极组成。
2.直流充放电测量电路
电容式传感器把被测玉米水分的变化转换成电路参数电容的变化[6]，而电容值以及电容变化值都十分微小，为了使这一微小电容增量能被传输、放大、运算、处理、指示、记录和控制，得到所需的测量结果即玉米水分值，还需用测量电路将电路参数进一步转换成电压、电流、频率等参数。测量电路包括调制型电路和脉冲型电路。直流充放电检测电路具有低漂移，可自动检测，测量精度高，开关工作频率高，几乎不受被测电容的漏电阻的影响等优点。
如图2所示为原理，由一个周期为的对称方波时钟脉冲来决定两个CMOS开关和的接通和断开。
当对称方波时钟脉冲为高电平时通断，电源对传感器电容充电，充电时间为，当对称方波时钟脉冲为低电平时断通，传感器电容上的电荷释放，因为传感器电容一端接地，另一端接放大器的反相端，传感器电容上的电荷全部释放掉，在时钟脉冲的控制下，充放电过程也是以周期重复进行。因而平均电流为：
3.结语
根据电容法测量玉米水分的原理，设计圆柱形电容式水分传感器，对其结构进行优化设计，详细分析传感器电容值的计算方法以及电容值与玉米水分之间的关系，得出电容值的变化与水分的变化呈线性关系，设计的电容式传感器理论上可行，由于电容值和变化值很小，又详细分析直流充放电检测电路的工作原理、输出量与输入电容之间的关系具有低漂移、测量精度高等优点。
参考文献：
[1]Mahmoud Soltani.Use of dielectic properties in quality measurement of agricultural products[J].Nature and Science，2011，9（4），57-60.
[2]康忠伟.基于时域传输技术的谷物含水率测试技术研究[D].黑龙江八一农垦大学，2011：2，100-105.
[3]刘嫣红，毛志怀，杨柳.电容式谷物水分传感器测量的影响因素研究[J].中国科技论文在线，2008：1-7.
[4]杨荣辉.电容式粮食水分仪的研究[D].沈阳工业大学，2003：9-10.
[5]翟宝峰，白媛.电容式粮食水分检测仪的设计[J].辽宁工学院学报，2003，3（1）：34-35.
[6]付鹤翔.基于单片机的便携式粮食水分测定仪的研究[D].西北农林科技大学，2011：19-20.
基金项目：
山东协和学院科技计划项目（编号：XHXY201508）；山东省软科学研究计划项目（编号：2015RKB01370）。
作者简介：
9.电容式 篇九
四川教师资格面试采取结构化面试、情境模拟等方式，通过抽题、备课(活动设计)、回答规定问题、试讲(演示)、答辩(陈述)和评分等环节进行。面试考试时间为20—30分钟。
[高中物理《电容器和电容》教学设计]
一、教学目标 【知识与技能目标】
1.知道什么是电容器并分析其充电、放电过程。
2.理解电容器的电容概念及其公式，并能用来进行有关的计算。【过程与方法目标】
学会控制变量法的实验方法，提高学生综合运用知识的能力。【情感态度价值观目标】
结合实际，激发学生学习物理的兴趣，培养学生热爱科学，积极向上的情感。
二、教学重、难点 【重点】
电容的概念、公式及其单位 【难点】
电容器的充电和放电的过程分析
三、教学过程 环节一：导入新课
直接导入：今天我们来学习一种全新的物理元件，叫做电容器。
举例：水杯。这是一种盛水的容器，那么电容器其实也是一种容器，只不过它是用来装电荷的容器。
环节二：导出概念(一)电容器 【实物体验】
在我们的日常生活中，哪些电器中用到了电容器? 教师用多媒体课件展示各种电器的图片。
请学生思考：这么多的电器中用到了电容器，电容器是什么样的元件?它的
基本构成是怎样的? 环节三：明确概念 【定义概念】
电容器：在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质—电解质，就组成了一个最简单的电容器。实际上，任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看成电容器。
教师画出电容器充、放电的示意图，分析并总结： [电容器充电] 两极板分别连接电源的正负极，电极板带等量异种电荷。灵敏电流计可以观察到短暂的充电电流。充电过程中由电源获得的电能储存在电容器中。[电容器的放电] 用导线把充电后的电容器的两极板接通，两极板上的电荷中和。灵敏电流计可以观察到短暂的放电电流。放电后，电场能转化为其他形式的能量。【延伸概念】
物理定义：电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，叫做电容器的电容。用C表示电容。
公式： 单位：法拉，简称法。符号：F。
物理意义：电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量。环节四：巩固提高
【例题】关于电容的说法中正确的是()。
A.由C=Q/U可知.电容器的电容与它的带电量、两板间电压有关。B.电容器带电量多，说明它容纳电荷的本领大。C.由Q=CU可知，当U增大时，Q可以无限增大。
D.两个相互靠近彼此绝缘的人，虽然不带电，但它们之间有电容。强调：电容器的电容由本身因素决定。环节五：小结作业
1.回顾本节课“你学到了什么?”
2.查阅资料，了解生活中的电容器
四、板书设计
10.薄膜电容介绍 篇十
1、电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而
组成的元件。电容的特性主要是隔直流通交流。电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称
为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。
容抗XC=1/2πf c(f表示交流信号的频率，C表示电容容量)
电话机中常用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。
2、识别方法：电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容的基本单位用法拉（F）表
示，其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。
其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法
容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10 uF/16V
容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示
字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF
数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。如：102表示10×102PF=1000PF 224表示22×104PF=0.22 uF3、电容容量误差表
表2 电容容量误差表
符号FGJKLM
允许误差 ±1% ±2% ±5% ±10% ±15% ±20%
如：一瓷片电容为104J，表示容量为0.1 uF、误差为±5%。
薄膜电容的种类可以从原理上分为：有感和无感；从材料上可以分为：CBB电容（聚乙烯），涤纶电容。
各种电容的优缺点及用途
无感CBB电容
制作工艺： 2层聚丙乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成。
优点： 无感，高频特性好，体积较小
缺点： 不适合做大容量，价格比较高，耐热性能较差。
用途：耦合/震荡，音响，模拟/数字电路，高频电源滤波/退耦
有感CBB电容
制作工艺： 2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成。
优点： 有感，高频特性好，体积较小
缺点： 不适合做大容量，价格比较高，耐热性能较差。
用途：耦合/震荡，模拟/数字电路，电源滤波/退耦
薄膜电容
其结构和纸质电容相似，但用聚酯，聚苯乙烯等低损耗塑料材作介质，频率特性好，介电损耗小，不能做成大容量，耐热能力差，用于滤波器、积分电路、振荡电路、定时电路等。
（1）聚酯（涤纶）电容（CL）
电容量：40p-4u
额定电压：63-630V
主要特点：小体积，大容量，耐热耐湿，稳定性差。
用于：对稳定性和损耗要求不高的低频电路。
（2）聚苯乙烯电容（CB）
电容量：10p-1u
额定电压：100-30KV
主要特点：稳定，低损耗，体积较大。
用于：对稳定性和损耗要求较高的电路。
（3）聚丙烯电容（CBB）
电容量：1000p-10u
额定电压：63-2000V
主要特点：性能与聚苯乙烯相似，但是体积小，稳定性略差。
用于：代替大部分聚苯乙烯或云母电容，用于要求较高的电路。
塑料薄膜电容器Plastic Film Capacitor
种类 Polyester 聚乙烯
Metallized Polyester 金属化聚乙烯
Polystrene 聚乙脂
电容值范围 0.001-0.47uf / 0.01-10uf / 100-10000pf
额定电压范围 50/100/200/400V 50/100/250/400/630V 50/100/125/250/500V 容值误差范围 J, K, M / G, J, K / K(>0.01uf),M(<0.01uf)
温度范围-40℃--+85℃ /-40℃--+85℃ /-40℃--+85℃
损失角(1KHz)<=0.006 / <=0.01 / <=0.001
Withstand Voltage 200% 1 Min.175% 3 Sec.Inductive / 代号
No/Yes, PEN(Red)/PEI(Green)No / MPE(Red)No / PS
金属化聚丙烯 Metallized Polypropylene
种类 Polypropylene 聚丙烯
Metallized Polypropylene 金属化聚丙烯
电容值范围 0.001-0.68uf / 0.01-3.3uf / 0.001-0.47uf
额定电压范围 50/100/250/400/630/1000V 100/250/400/630V 250/275VAC 容值误差范围 J, K, M / G, J, K / K(>0.01uf),M(<0.01uf)
温度范围-40℃--+85℃-40℃--+85℃-40℃--+85℃
损失角(1KHz)<=0.0008 / <=0.001 / <=0.001
11.电容式 篇十一
【摘要】介绍了一起由于电容元件被击穿故障导致二次电压异常的实例，对故障互感器电气试验、解体检查和处理过程进行了分析。最后提出了类似故障的防范措施和建议。
【关键词】电压输出；电容击穿；解体检查；故障分析
1.1电力变压器特点与CTV工作原理简介
1.1电力变压器特点分析
电力变压器的基础原理是电磁感应原理，将交流电压与电流转化为频率相同的电压与电流电气设备，在工作状态下，电力变压器就变成一个大的电容，在进行试验时一定要克服好其他的电容与电流，在低压侧进行电抗器补偿。
电力变压器能够起到变换电压的作用，在同一段线路中，会传输同样的功率，电压在变压器的作用之下，线路传输电流便会减小，这便可以减少输电线路的电量损耗，提升输电的经济性，实现远距离输电，此外，降压就能够满足不同等级用户的需求，在试验的过程中，即可根据实际情况的变化调整试验频率，利用其本身的电容与电感实现相互逐之间的补偿，对于变压器不同绕组则可以通过磁链耦合保证电能可以在不同回路之中得以传递，这样即可达到传输与分配电能的作用。
1.2CTV工作原理简介
CTV主要由电磁单元和电容分压器两种电气元件组成，其工作原理如下图1所示。主电容与分压电容都安装在一个瓷套内，一般根据变电所电压等级决定采用瓷套的数量，110kv設备中只需要1套，220kv则需要2套，500kv则需要3套。CTV的运行原理是，系统电压通过分压输送至A点，然后通过电磁变压单元输出二次电压。
在电力变压器油中有着大量的离子与极性分子，离子则包括正离子与负离子，这两者的数量是相等的，但是绝缘纸板会对油中负离子与极性分子产生一定的吸附效果，这就会导致油中电荷发生定向移动。在强油导向冷却系统之中，一旦油泵被开启，那么器身内部流动速度较快的区域其中的正离子在油的流动作用之下，便会被带走，此时，其中的正离子与负离子会发生分离的情况，这样即可出现油带正电、绝缘材料待负电的情况，其带有符号相反、电量相同的电荷。在电荷产生分离的情况之后，就可以泄露到大地中，也可能与其中的异性分子发生复合，这样就会导致电荷减少。
在一定的环境之中，油中水含量减少，电荷密度就会增大，水含量增加，电荷密度就会降低，油含气量增加，其绝缘度便会降低，这样就越容易发生放电的情况，放电会导致油发生分解，其分解的生成物会影响油的质量，影响油的绝缘性能。而对于电力变压器局部放电，要保证其能够满足用户的使用需求，为此，就需要在设计的过程中分析好绝缘结构电场分布情况，选择质量可靠的绝缘材料。
2.几起二次输压故障分析判断
2.1电容击穿引起二次输压故障案例
某型号为WVB110/√3-20H的110kv CTV处于正常运行状态下（110kv、1M、2M母线分段运行），调度发现110kV 11PT C相电压偏低（二次值C相61.5V，其它两相64.7V）红外查探无异常，10kV1M母线电压正常，无异常声响。经继保人员测量PT端子箱保护和计量两个绕组确认C相电压均偏低，其中110kv 1MPT二次电压测量情况如下表1.
表1- 110kV 1MPT二次电压测量情况：（单位：V）
ANBNCN
保护组电压60.060.057.3
计量组电压60.060.057.3
3U04.73
2.1.1故障原因分析
PTC相二次电压变低的原因较为简单，一般是分压电容器中某几个被击穿，使得串联的电容数量减少，导致分压电容增大，输出电压降低。
2.1.2解体检查与分析
（1）初步检查与试验 为了确定故障原因，进行了一系列的电气试验。出现故障后，当日对于更换下来的PT检查测试，采用TAC750D互感器测试仪测试变比，其测量结果显示C相PT变比偏大。解剖前，对一个正常C相PT以及故障C相PT的电容量、介损、变比进行了测量，采用自激法进行电容量与介损测试，测量结果对比得出C2电容量与损耗变大，结论得出C相出现故障。
（2）CTV解体检查 对CTV进行解体分离，将电容分压器和中间变压器分离，首先测试中间变压器变比，与厂家设计参数吻合，中间变压器合格，进一步说明了该故障是由于分压电容器出现故障。继续对分压电容器进行解剖，该分压电容器含有54个元件，C1抽38个，C2抽16个，解剖发现C2中1个元件（第51个）被击穿。
（3）解剖分析 通过解剖情况来看，该元件可能是运行中受雷电冲击或操作冲击，致元件绝缘介质损伤，或者是设备长期运行致完好的介质层绝缘老化，最终击穿。由相关计算，得出出现故障时二次输出电压的理论值降低了4.5%，与设备运行时测量的二次电压降低的幅度吻合。
2.2二次失压故障分析
2.2.1故障简况 某型号TYD 110/√3-0.01H的110kvCTV在正常运行条件下，2组二次电压线圈输出电压显示为零，现场检查CTV外观正常。
2.2.2解体分析 对二组二次线圈进行了直流电阻值的测量，C1为0.032Ω，C2为0.103Ω，总电容量为0。00980Μf，与名牌标称相符，排除了线圈断线的因素。
采用常规自激法测量该CTV介损，显示过载，怀疑中间压变短路，后将CTV解体，单独对中间变压进行变比测量，结果一切正常。故推测避雷器F可能出现故障。经兆欧表测量避雷器对地绝缘电阻为零，解体后，发现避雷针表面有明显击穿痕迹，由此得出该次故障的原因是由于避雷器击穿引起中间压变一侧短路。将避雷器拆除后，恢复CTV接线，用抗干扰介损测量C1，C2，显示一切正常，与铭牌标称相符合。
3.改进建议
CTV在运行过程中，往往会出现二次输压故障，针对以上两期输压故障解析结果，现提出几点运维建议：
3.1建议今后在CVT预防性试验时，原则上应单独测出C1和C2的电容值及介损，对测试结果是否合格的判断，如果用自激法测试C1、C2损耗超过0.2%，且两个介损值差异明显，则可判C2不合格。3.2在满足热平衡需要的基本前提下，合理科学的选用避雷器的电荷率，电荷率越低对于CTV内部谐振所吸收的热量越低，能够更好的保护避雷器不老化。
4.结论
CTV作为现阶段变压系统中不可缺少的一个部分，它在电力系统的运营过程中有着很重要的地位。在实际运行过程中，CTV出现异常的现象比较普遍，其故障原因也比较多。但CTV电磁单元是最容易出现故障的部分，故障原因最常见的为二次电压输出异常。我们从解剖结果来看，要想提高电网运营效率，减少故障，在CTV制作工艺上，需要不断改进创新，同时在日常运营上，也要予以重视。
参考文献