基于Modbus/TCP的电容式扭矩传感器数据采集系统设计

扭矩传感器通常安装于机械设备的旋转关节处,用于扭矩的测量。电容式扭矩传感器需要配备专门的数据采集系统才能使用,且数据采集系统的性能直接影响传感器的精确测量。针对实验室自主研制的电容式扭矩传感器的应用需求,设计了一种基于Modbus/TCP协议的数据采集系统。系统以STM32为主控芯片,通过控制电容数字转换芯片AD7147实现电容信号采集与转换,然后由W5500以太网芯片将数据上传到自主开发的上位机软件中进行处理、显示与存储。实验测试表明:系统最大测量误差为1.47%,数据输出频率为1000 Hz。

基于电容传感器的CO_(2)气液两相流流型识别

为了实现碳捕捉与封存(CCS)管道内CO_(2)流量的精确测量,需要对CO_(2)的流型进行辨识。基于递归定量分析和模糊C均值(FCM)聚类算法,建立了CO_(2)气液两相流的流型识别模型。提出利用小波变换在多尺度下分析CO_(2)气液两相流电容信号递归图结构特性的方法,对各个尺度下的递归图分别进行定量分析,提取出不同流型下CO_(2)流动的电容传感器递归特征参数。采用FCM算法,对特征参数进行流型聚类,完成了对CO_(2)气液两相流的分层流、气泡流和雾状流3种流型的识别。

电容式含水传感器极板间油液更替时间研究

液压系统中的水污染严重影响系统工作可靠性,因此利用含水传感器实时准确地响应系统油液含水率的变化对液压系统的健康维护至关重要。电容式含水传感器通过测量介电常数的变化来间接测量水分含量,而电容极板间油液更替的时间直接反应传感器的动态响应特性。选择了两种仿真方法对极板间油液的更替情况进行了分析,并搭建试验系统进行了验证,结果表明,物质组分输运模型更适合仿真分析电容型含水传感器的响应特性。提出的仿真方法为电容式含水传感器动态响应特性的分析提供一种新的思路,分析结果可为电容式含水传感器的采样时间选择提供参考,以获得准确可靠的含水率检测结果。

同面阵列电容传感器输出信号质量评估研究

通过有限元仿真和实验系统评估了3×4阵列电极同面电容传感器电极对输出信号质量。结果表明,减少电极间距和增加接触边缘长度有利于提高电极对输出信号质量。提出了一种评估同面电容传感器输出信号质量的指标——电极利用率。对不同独立电极数量电极利用率的输出信号质量进行了评估。结果表明,增加独立电极数量只能在一定程度上增加有效输出信息,且引入大量噪声。随着独立电极数量增加,电极利用率下降,解释了独立电极数量增加输出信号质量反而下降的原因。图像重建结果与电极利用率分析结论一致。实验和仿真结果验证了电极利用率评估多电极同面电容传感器输出信号质量的有效性。该方法和结论可为同面电容传感器阵列电极设计和输出信号处理提供参考。

单相激励电容式时栅角位移传感器研究

针对现有多相激励时栅角位移传感器在小体积时无法设置更多极对数进一步提升稳定性,导致精度和动态性能指标无法得到提升等问题,提出一种单相激励电容式时栅角位移测量方法。该方法采用单相激励耦合成四路空间正交的驻波信号,通过电路实现行波构造,从而实现角位移测量。文中介绍了多相激励时栅传感器存在的问题、单相激励时栅的测量原理,完成了传感器样机的研制,并通过实验验证该原理的有效性。实验结果表明,相同尺寸和相同电极数量情况下,单相激励传感器的精度和动态性能指标优于多相激励传感器,单相激励传感器精度为±20″,稳定性为10″,400 rpm转速下速度波动为±1.25%,跟随误差为±2.5″,满足直驱电机的使用要求。

基于二硫化钼的电容式土壤湿度传感器

[目的/意义]土壤中含水率直接影响农作物生长状态和产量。开发出一种可靠、高效的土壤湿度传感器对实施农田科学灌溉具有重要指导意义。[方法]本研究提出一种基于微加工工艺制备的二硫化钼电容式土壤湿度传感器,通过叉指电极上同一平面上的金电极阵列实现数个电容并联,表面修饰二硫化钼作为敏感层实现对土壤湿度的测量。通过计算及使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件研究电极参数对电容敏感度的影响,最终确定电极参数使用10μm间距、75对叉指。[结果和讨论]在保证测量精度的前提下,大大缩小了传感器的体积,可以实现土壤湿度的原位动态监测。在室温下相对湿度值从11%变化到96%时,电容式土壤湿度传感器在200 Hz频率下的电容输出为12.13 pf~187.42 nF;当土壤含水量由8.66%增加到42.75%时,传感器的电容输出在200 Hz频率下由119.51 nF增长到377.98 nF,显示出较高的湿度灵敏度及较宽的敏感范围。[结论]本研究提出的土壤水分传感器有望实现原位长期监测电容式土壤传感器的电容变化,从而监测土壤湿度的变化。

基于刮涂微结构的柔性电容式触觉传感器特性研究

性能优异、持久耐用、制备效率高且成本低的柔性触觉传感器是智能电子皮肤、人机交互、医疗保健的迫切需求。大多数微结构电容式触觉传感器需要洁净室微制造,增加了制作过程的复杂性及制作成本。本文介绍了一种新型且简易有效的方法,通过简单的工具在聚偏氟乙烯—六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)离子凝胶膜表面大面积制作不同尺寸的微结构,并对其传感特性进行了测试和比较。实验表明:传感器在1.2kPa的压力范围内具有灵敏度高(46.8kPa-1)、检测限低(16Pa)、响应速度快(20ms)等综合性优势;经过6000次高压力循环加载后,不偏离初始性能,表现出极强的鲁棒性以及实用性。本文提出的方法可以显著提高传感器的制备效率和整体性能,同时降低制备过程的资金和时间成本。

具有多孔双微结构层的柔性电容式压力传感器

电极和介电层的材料性能和表面结构是决定柔性电容式压力传感器性能的关键因素。将碳纳米管(CNT)与硅橡胶结合制备出拉伸性能优良的斜线型微结构电极层。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)/BaTiO_(3)/SrTiO_(3)复合材料制备多孔砂纸微结构介电层。电极与介电层交界面构成双重微结构以提升电荷携带能力。场发射扫描电子显微镜与光学显微镜观测结果验证了上述微结构的存在。基于电容模型的分析表明,传感器灵敏度主要取决于多孔介电层的形变量。所制备的多孔双微结构层柔性电容式压力传感器最高灵敏度为2.681 kPa^(-1),在3~5 kPa的压力区间仍具有0.412 kPa^(-1)的灵敏度,响应时间和释放时间分别约为39和61 ms。该传感器能够检测出吞咽时咽部运动的微小压力,实验中测得的最小电容变化率为0.13%,能够识别0.53 Pa的微小压力,具有较低的检测限。进行6000次以上的压缩循环测试后,传感器加载-卸载曲线重合性好,同时对不同频率压力的响应良好,验证了传感器良好的可重复性。总之,所提出的传感器具有良好的压力感知性能,在生理信号监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。

差动式电容传感器信号检测方法研究

为了提高差动式电容传感器信号检测电路的测量精度,本文提出了一种将增量总和调制技术和差动式电容传感器相结合,做成一个新型信号检测系统的方法。该信号检测方法将差动式电容传感器、前置放大器和相敏检波电路放置在增量总和反馈环路内,形成一个大的反馈环路。本文通过推导该检测电路的系统传递函数,分析该检测方法中利用增量总和调制技术的技术优点,根据该方法设计一版电路板并进行试验。研究结果表明,本文提出的信号检测方法的输出数字量与中心极板偏离平衡位置的大小和方向具有很高的相关性,对进一步提高差动式电容传感器检测电路的测量精度具有较好的促进作用。

柔性电容式压力传感器性能优化的研究进展

柔性电容式压力传感器具有低能耗、高灵敏度、高稳定性等优点,在可穿戴设备、电子皮肤等柔性电子领域受到广泛关注。概述了以复合介电层和微结构设计为代表的柔性电容式压力传感器灵敏度提升方法,并介绍了柔性电容式压力传感器在追求高灵敏度和宽检测范围方面通常采用的多级复合结构、复合机制和混合响应策略,最后对柔性电容式压力传感器发展趋势进行了展望。

用于纳米压电定位平台的电容传感器设计

针对纳米压电定位平台中电阻应变片式传感器无法满足定位精度的问题,设计了一种非接触式测量的双极板电容式位移传感器。首先,详细分析了电容传感器的基本测量原理和闭环控制原理。对电容传感器固有的边缘效应问题进行理论分析,并通过保护环措施消除其影响。在建立电磁仿真参数模型的基础上,带保护环结构的电容仿真值与理想值误差小于1.8%。改进了一种基于有源电桥的高灵敏度运算放大器式电容检测电路,使电路具有更高的分辨率和线性度。通过对该传感器进行标定,其测量范围在0~30μm内,线性度为0.05%,分辨力优于0.01μm。

全纤维电容式传感器的结构设计及其性能

由于受柔性电容式传感器介电层弹性模量的限制,目前电容器的性能如灵敏度等难以达到应用要求,为提高传感器的传感性能,以聚吡咯复合蚕丝织物作为织物电极,羊毛纤维集合体作为介电层构建全纤维的电容式压力传感器,对电极的织物结构和纤维集合体高度进行优化分析;对传感器的电学及传感性能进行测试,并进行了应用探索。结果表明:面密度为69 g/m^(2)素绉缎聚吡咯复合织物方阻最小,为42Ω/□;纤维电容器以素绉缎聚吡咯复合织物作为电极,羊毛纤维集合体为介电层,且高度为1.4 cm时传感性能最优,在频率为10 kHz、电容最高为66 pF、压力为0~5 N范围内灵敏度最高为1.08 N^(-1)。该电容式传感器具有良好的稳定性,有望应用于肢体运动监测与公共场合安全监测中。

基于电容传感器的液体管内含气率测量系统的研究

电容传感器具有非侵入式、低成本、结构简单等特点,被广泛应用于液体管内含气率的测量。基于电容传感器,设计了含气率测量系统,对外径25mm、内径21mm液体管内含气率进行测量。为了验证含气率测量系统的准确性,搭建了可视化验证平台。对管内气液两相进行图像采集,对管道截面处的含气率进行计算;分析了视窗左右截面的含气率偏差,研究了采集位置偏差对验证方法有效性的影响。研究表明:通过传感器系统测量的含气率与图像处理得到的含气率吻合;视窗左右截面的平均含气率的偏差不超过3.097%。本研究设计的含气率测量系统的准确性较好,所提出的可视化验证方法能够有效地对含气率测量系统的准确性进行验证。

基于镓基液态金属的电容式柔性压力传感器

旨在设计并测试一种基于镓基液态金属的电容式柔性压力传感器。该传感器由镓基液态金属镓铟锡合金(Galinstan)、炭黑(CB)以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)以牺牲模板法制作传感器介电层,同时通过丝网印刷技术将镓基液态金属共晶镓铟合金(EGaIn)印刷于普通织物上制备传感器电极。完成传感器封装后,对传感器进行各项传感性能的测试。测试结果表明,该传感器具备较高灵敏度(0.18 kPa^(-1)),低迟滞性,快速响应时间(140 ms)及恢复时间(180 ms),并展现出优良的循环耐久性和稳定性。此外,还探讨了该传感器在监测人体运动,如自行车踏频监测和步频监测等方面的潜在应用,证明其在运动分析和健康监测领域的有效性。通过这些实验和分析,证实了该传感器作为一种新型柔性压力传感器的可行性和应用潜力,为未来的研究和应用提供了有价值的参考。

基于PCap04的电容式压力传感器测量仪设计与实现

柔性压力传感器是一种利用新材料技术、传感器技术和微机电技术制作的能将压力转换为电信号的柔性电子器件。针对柔性电容式压力传感器的测量需求,本文设计了一种基于PCap04的电容式压力传感器测量仪,该系统以STC8单片机为主控制器,以PCap04为电容测量专用芯片,实现动态微电容的测量功能。本文通过实验测量所设计的电容式压力传感器测量仪,电容测量误差小于±3.14%。此外,该测量仪还具有电容波形显示功能,并可以将测量结果通过LoRa通信传输至计算机,便于进一步对数据进行分析。

一种电容式液位传感器在燃油液位测量中的应用

在飞机运行过程中,对飞机燃油进行准确的检测,是保证飞机燃油系统正常运行的一个关键环节,对于完成飞行任务、保障飞行安全和社会安全,有着重要意义。燃油测量装置的测量精度、可靠性和可维护性对飞机的整体性能有着重要的影响。随着现代科技的快速发展,社会对于燃油测量系统的性能、精度、可靠性等方面有了更高的要求。针对燃油液位测量,国内外采取的技术和产品很多。传统使用的传感器包括浮子式传感器、电容式传感器,随着科学技术的发展,近年来也逐渐出现了许多新型的传感器,如光纤液位传感器、超声波式液位传感器、导波雷达式液位传感器等。

电容持水率检测方法研究及传感器设计

持水率作为油井产出剖面评价的关键参数,对产水层位确定、提高油气产量至关重要。目前常用的持水率传感器存在变化范围小、性能易受杂散电容影响的不足,导致其测量精度较低。因此,提出了一种电容持水率传感器前端数字化的思想,设计了一款适用于低持水率(<50%)环境下的微型持水率传感器,通过增加多谐振荡电路,使该传感器同时具备小型化和数字化的特点。测试结果表明,所设计的传感器的测量误差小于1.9%,具有分辨率高、性能稳定的特点。上述研究为电容持水率传感器的阵列化和井下流体流动的可视化奠定了基础。

基于空心微柱介电层的柔性电容式压力传感器

提出了一种使用空心微柱介电层的柔性电容式压力传感器,通过倒模的方法制备PDMS和BaTiO_(3)复合材料的空心微柱介电层,通过在PET薄膜上丝网印刷导电银浆制作为阵列式电极。实验表明,该传感器在压力范围为0~5 kPa,5~50 kPa和50~200 kPa时的灵敏度分别为0.498,0.026和0.008 kPa^(-1),最小检测压力可达35 Pa,在1000次重复压力实验中表现稳定,且具有快速的响应速度(约134 ms)。该传感器制备方法简单高效,制作成本低且便于大规模制备,同时该传感器在准确性、稳定性、灵活性等方面都有优秀的表现,可被应用于可穿戴电子设备和智能机器人等领域。

计及边缘效应的差动圆柱面电容式倾角传感器的输出特性

为了研究差动圆柱面电容式倾角传感器在计及边缘效应情况下的输出特性,将保角变换法、格林函数法和计算机数值模拟相结合,讨论差动圆柱面电容器中的电场,给出其电容量随倾角变化的函数式,绘制出该传感器输出特性曲线,分析影响该传感器线性度及灵敏度的因素,并指出改善该传感器输出特性的途径。

电容式传感器的飞机燃油油量测量系统设计

介绍了一种飞机燃油油量测量系统的设计。该系统采用电容式传感器进行油量测量,通过硬件设计和软件算法实现对温度、换油和姿态等误差的补偿。详细阐述了电容式传感器的工作原理和误差分析方法,并介绍了油量测量系统的硬件和软件设计思想。