一种电容式传感器的制作方法

本发明实施例涉及电容式传感器技术领域，具体涉及一种电容式传感器。

背景技术：

电容传感器是一种常用的检测手段。以粮食水分检测为例，电容式传感器的工作原理是：水分传感器以粮食为电容器介质。当粮食品种一定时，粮食水分(含水率)决定粮食介电常数，粮食介电常数决定电容器电容，电容器电容决定传感器输出模拟信号的值。上位机等设备接收到传感器输出信号后，以相反的方向解析即可得到水分值。传感器电容csens分为随粮食水分变化而变化的外部电容cext，不随粮食水分变化的内部电容cint两部分，如下所示：

csens＝cext+cint(1)

其中，外部电容除了粮食水分mc以外，还受温度t、结构件尺寸struct等因素影响，而内部电容受结构件struct、电子元器件electron、导线走线lin等影响，如下所示：

cext＝fext(mc,t,struct)(2)

cint＝fint(struct,electron,lin)(3)

在测量过程中，不同条件下传感器电容会发生变化，而传感器电容变化量是内外的电容的变化量之和：

△csens＝csens1-csens2＝(cext1+cint1)-(cext2+cint2)(4)

而cext1、cext2、cint1、cint2的表达式如下展开，△mc、△t、△struct、△electron、△lin分别为水分、温度、结构件、电子元器件、导线走线在传感器1和传感器2的差异：

cext1＝fext(mc1,t1,struct1)(5)

cext2＝fext(mc2,t2,struct2)＝fext(mc1+△mc,t1+△t,struct1+△struct)(6)

cint1＝fint(struct1,electron1,lin1)(7)

cint2＝fint(struct2,electron2,lin2)＝fint(struct1+△strcut,electron1+△electron,lin1+△lin)(8)

将式(5-8)代入到式(4)中，近似可得：

△csens＝△cext+△cint≈fext(△mc,△t,△struct)+fint(△struct,△electron,△line)(9)

传感器对水分的灵敏度公式如式(10)所示：

其他影响因素对电容的影响都可以参照式(10)推导出来：

显而易见，除了式(10)表示的对粮食水分的灵敏度，设计者希望越大越好以外，其他都是干扰，希望越小越好。因此，如何降低电容对各干扰因素的敏感度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种电容式传感器，以降低电容对各干扰因素的敏感度。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明的实施方式的第一方面中，提供了一种电容式传感器，包括第一固定件、第一负极、第一连接件、正极、第二负极、第二连接件、第二固定件、钢缆、第一总导线、第二总导线、第一分导线、第二分导线、第三分导线、第一电极导线、第二电极导线、第三电极导线、通讯线和电路板；

所述第一总导线、所述第二总导线和所述电路板分别固定在所述钢缆上；

所述第一总导线的一端、所述第二总导线的一端和所述钢缆的一端均固定在所述第一固定件上，所述第一总导线的另一端、所述第二总导线的另一端和所述钢缆的另一端均固定在所述第二固定件上，且所述第一总导线和所述第二总导线均固定在所述钢缆上；

所述第一负极、所述正极和所述第二负极均为空心结构；所述第一总导线、所述第二总导线和所述钢缆依次穿过所述第一负极、所述正极和所述第二负极；所述电路板设置在所述第一负极、所述正极或所述第二负极中；且所述电路板固定在所述钢缆上；

所述第一分导线的一端与所述第一总导线连接，所述第二分导线的一端与所述第二总导线连接，所述第三分导线的一端与所述钢缆连接；所述第一分导线的另一端、所述第二分导线的另一端和所述第三分导线的另一端分别与所述电路板连接；

所述第一电极导线的一端与所述第一负极相连，所述第二电极导线的一端与所述正极相连，所述第三电极导线的一端与所述第二负极相连，所述第一电极导线的另一端、所述第二电极导线的另一端、所述第三电极导线的另一端分别与所述电路板相连；

所述电路板通过所述通讯线与上位机进行通讯。

进一步地，上述所述的电容式传感器，所述电路板包括主机、从机和单片机；

所述从机包括第一i/o引脚和第二i/o引脚；

所述单片机包括通讯引脚、第三i/o引脚和第四i/o引脚；

所述第一i/o引脚与所述第三i/o引脚相连，所述第二i/o引脚与所述第四i/o引脚相连；

所述主机通过所述通讯线与所述通讯引脚相连；

所述通讯线与上位机相连。

进一步地，上述所述的电容式传感器，所述从机还包括rc振荡器；

所述第一i/o引脚和所述第二i/o引脚分别与所述rc振荡器相连。

进一步地，上述所述的电容式传感器，还包括密封层；

所述密封层包裹所述第一固定件、所述第一负极、所述第一连接件、所述正极、所述第二负极、所述第二连接件和所述第二固定件。

进一步地，上述所述的电容式传感器，还包括注塑层；

所述注塑层包裹所述密封层。

进一步地，上述所述的电容式传感器，所述第一固定件和所述第二固定件均包括第一安装结构和第二安装结构；

所述第一安装结构设置有第一凹槽，所述第二安装结构设置有第二凹槽；

所述第一凹槽与所述第二凹槽配合形成过孔；

所述第一总导线的一端、所述第二总导线的一端和所述钢缆的一端均插入所述过孔固定在所述第一固定件上；

所述第一总导线的另一端、所述第二总导线的另一端和所述钢缆的另一端插入所述过孔固定在所述第二固定件上。

进一步地，上述所述的电容式传感器，还包括第一卡箍和第二卡箍；

所述第一卡箍套设在所述第一固定件远离所述第一负极的一端，卡紧所述第一固定件；

所述第二卡箍套设在所述第二固定件远离所述第二负极的一端，卡紧所述第二固定件。

进一步地，上述所述的电容式传感器，所述第一卡箍和所述第二卡箍的材料均包括铝合金或紫铜。

进一步地，上述所述的电容式传感器，所述第一连接件和所述第二连接件的材料均包括尼龙、abs树脂或聚四氟乙烯。

进一步地，上述所述的电容式传感器，所述第一固定件和所述第二固定件的介电常数均小于第一预设阈值，且所述第一固定件和所述第二固定件的介电损耗均小于第二预设阈值。

根据本发明的实施方式，具有如下优点：

本发明实施例的电容式传感器，包括第一固定件、第一负极、第一连接件、正极、第二负极、第二连接件、第二固定件、钢缆、第一总导线、第二总导线、第一分导线、第二分导线、第三分导线、第一电极导线、第二电极导线、第三电极导线、通讯线和电路板；第一总导线、第二总导线和电路板分别固定在钢缆上；第一总导线的一端、第二总导线的一端和钢缆的一端均固定在第一固定件上，第一总导线的另一端、第二总导线的另一端和钢缆的另一端均固定在第二固定件上，且第一总导线和第二总导线均固定在钢缆上；第一负极、正极和第二负极均为空心结构；第一总导线、第二总导线和钢缆依次穿过第一负极、正极和第二负极；电路板设置在第一负极、正极或第二负极中；且电路板固定在钢缆上；第一分导线的一端与第一总导线连接，第二分导线的一端与第二总导线连接，第三分导线的一端与钢缆连接；第一分导线的另一端、第二分导线的另一端和第三分导线的另一端分别与电路板连接；第一电极导线的一端与第一负极相连，第二电极导线的一端与正极相连，第三电极导线的一端与第二负极相连，第一电极导线的另一端、第二电极导线的另一端、第三电极导线的另一端分别与电路板相连；电路板通过通讯线与上位机进行通讯。使得的电容式传感器内部布置较少的导线，减少了各结构件之间的晃动，从而降低电容对各干扰因素的敏感度，有效避免了电容式传感器的电容值不会因为电容式传感器的姿态变化而改变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明的一实施例提供的电容式传感器的结构的爆炸图；

图2为本发明的电容式传感器的剖面图；

图3为图1中第一固定件10中第一安装结构的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的一实施例提供的电容式传感器的结构的爆炸图，图2为本发明的电容式传感器的剖面图，如图1和图2所示，本实施例的电容式传感器包括第一固定件10、第一负极11、第一连接件12、正极13、第二负极15、第二连接件14、第二固定件16、钢缆、第一总导线、第二总导线、第一分导线、第二分导线、第三分导线、第一电极导线、第二电极导线、第三电极导线、通讯线和电路板。

本实施例中，第一总导线、第二总导线和电路板分别固定在钢缆上；第一总导线的一端、第二总导线的一端和钢缆的一端均固定在第一固定件10上，第一总导线的另一端、第二总导线的另一端和钢缆的另一端均固定在第二固定件16上，且第一总导线和第二总导线均固定在钢缆上，以避免由于两个总导线缠绕造成二者之间的距离较近，引起较大的内部电容的现象，同时，避免传感器晃动过程中，引起两个总导线发生相对位移，导致内部电容变化的现象，另外，可以利用钢缆作为电容式传感器内部的导线，减少了电容式传感器内部导线的数量，使得导线之间的间距增大，减少内部电容，从而提高了电容式传感器的测量精度。

第一负极11、正极13和第二负极15均为空心结构；第一总导线、第二总导线和钢缆依次穿过第一负极11、正极13和第二负极15；电路板设置在第一负极11、正极13或第二负极15中；且电路板固定在钢缆上，以防止电路板晃动，对检测的电容产生影响。第一分导线的一端与第一总导线连接，第二分导线的一端与第二总导线连接，第三分导线的一端与钢缆连接；第一分导线的另一端、第二分导线的另一端和第三分导线的另一端分别与电路板连接；第一电极导线的一端与第一负极11相连，第二电极导线的一端与正极13相连，第三电极导线的一端与第二负极15相连，第一电极导线的另一端、第二电极导线的另一端、第三电极导线的另一端分别与电路板相连；电路板通过通讯线与上位机进行通讯。其中，通讯线为单通讯线。

本实施例中，pcb电路板驱动相应的电极工作，完成对粮食水分的检测。例如，粮食水分决定粮食节点常数，进而决定电容式传感器的电容，电容传感器经由通讯电缆发送给上位机，由上位机计算出粮食中的水分。

本发明实施例的电容式传感器，包括第一固定件10、第一负极11、第一连接件12、正极13、第二负极15、第二连接件14、第二固定件16、钢缆、第一总导线、第二总导线、第一分导线、第二分导线、第三分导线、第一电极导线、第二电极导线、第三电极导线、通讯线和电路板；第一总导线、第二总导线和电路板分别固定在钢缆上；第一总导线的一端、第二总导线的一端和钢缆的一端均固定在第一固定件10上，第一总导线的另一端、第二总导线的另一端和钢缆的另一端均固定在第二固定件16上，且第一总导线和第二总导线均固定在钢缆上；第一负极11、正极13和第二负极15均为空心结构；第一总导线、第二总导线和钢缆依次穿过第一负极11、正极13和第二负极15；电路板设置在第一负极11、正极13或第二负极15中；且电路板固定在钢缆上；第一分导线的一端与第一总导线连接，第二分导线的一端与第二总导线连接，第三分导线的一端与钢缆连接；第一分导线的另一端、第二分导线的另一端和第三分导线的另一端分别与电路板连接；第一电极导线的一端与第一负极11相连，第二电极导线的一端与正极13相连，第三电极导线的一端与第二负极15相连，第一电极导线的另一端、第二电极导线的另一端、第三电极导线的另一端分别与电路板相连；电路板通过通讯线与上位机进行通讯。使得电容式传感器内部布置较少的导线，减少了各结构件之间的晃动，从而降低电容对各干扰因素的敏感度，有效避免了电容式传感器的电容值不会因为电容式传感器的姿态变化而改变。

在一个具体实现过程中，电路板包括主机、从机和单片机；从机包括第一i/o引脚和第二i/o引脚；单片机包括通讯引脚、第三i/o引脚和第四i/o引脚；第一i/o引脚与第三i/o引脚相连，第二i/o引脚与第四i/o引脚相连；主机通过通讯线与通讯引脚相连。

从机的第一i/o引脚可以称为a口，第二i/o引脚可以称为b口，分别与单片机的两个i/o口引脚连接；主机通过通讯线的通讯协议向从机发送相应的控制字，分别读取和写入从机两个i/o口引脚的电平状态；单片机通过与其连接的两个i/o口引脚，读取和写入从机两个i/o口引脚的电平状态；两个i/o口引脚的电平、延时三者的组合表征传输的信息和状态。具体要求如下：

(1)单片机的状态分为休眠、唤醒握手、读1个比特数据、写1个比特数据；

(2)一轮通讯周期为，单片机处于休眠状态，主机选择从机，主机向从机发送唤醒单片机的指令、从机唤醒单片机、单片机回应主机(握手)、主机通过从机向单片机发送命令字、根据命令字的通讯协议，主机向单片机写入数据或单片机回复主机数据、单片机进入休眠状态；

(3)主机在通讯周期内任何时刻执行唤醒单片机操作可中断当前通讯，单片机将本轮通讯收到的数据清零。

(4)主机向单片机发送的命令字由若干个0/1比特组合而成。

(5)通讯线从机刚上电时，a和b口默认为高电平，单片机与a口、b口相连接的i/o口均设置为输入并监控b口状态。

(6)主机通过通讯线通讯，将从机b口状态从高电平变成低电平，以唤醒单片机。

(7)休眠中的单片机监测到b口低电平后，进入工作状态，将与a口相连接的i/o口设置成输出，a口状态从高电平变成低电平并保持240us一段时间(给出保持时间可选的范围)。主机通过通讯线读取a口状态，发现a口变成低电平后，通过通讯线设置b口高电平，单片机检测到b口高电平后，设置a口高电平，至此唤醒回应操作成功。之后单片机与a口相连的i/o口引脚输入输出状态设置为输入，不再控制a口状态，直到下一次唤醒。

(8)单片机读1个比特数据的过程为，主机将a口状态设为低电平，主机根据需要写入的比特数据设置b口状态(高电平表示1，低电平表示0)，延时一段时间后，主机将a口状态设为高电平，单片机监测到a口状态由低变高后，读取b口状态并存入寄存器中。

(9)单片机写1个比特数据的过程为，主机将a口状态设为低电平，单片机监测到a口状态由高变低后，将b口设为输出，根据需要写入的比特数据设置b口状态(高电平表示1，低电平表示0)，延时一段时间后，主机将a口状态设为高电平，读取b口状态。

(10)在通讯周期结束后，单片机立刻进入休眠状态，当前数据丢弃；单片机进入休眠模式后，下一轮通讯从唤醒单片机开始。

在一个具体实现过程中，从机还包括rc振荡器；第一i/o引脚和第二i/o引脚分别与rc振荡器相连。从机采用单独供电方式消除电源纹波对振荡器的影响。

本实施例中的电容式传感器还包括密封层和注塑层；密封层包裹第一固定件10、第一负极11、第一连接件12、正极13、第二负极15、第二连接件14和第二固定件16，以隔绝外界空气。注塑层包裹密封层。当第一固定件10、第一负极11、第一连接件12、正极13、第二负极15、第二连接件14和第二固定件16组装完成后，使用热缩管、密封剂封装。密封完成后，可以在密封层表面注塑一层厚度1-3mm的塑料层，最终完成电容式传感器的组装。

在实际应用中，第一固定件10和第二固定件16均包括第一安装结构m和第二安装结构n；图3为图1中第一固定件10中第一安装结构的结构示意图，第二安装结构n与第一安装结构m采用同样的结构。如图3所示，第一安装结构m设置有第一凹槽，第二安装结构n设置有第二凹槽；第一凹槽与第二凹槽配合形成过孔；第一总导线的一端、第二总导线的一端和钢缆的一端均插入过孔固定在第一固定件10上；第一总导线的另一端、第二总导线的另一端和钢缆的另一端插入过孔固定在第二固定件16上。

如图1所示，为了防止第一负极11、第二负极15晃动，本实施例的电容式传感器还包括第一卡箍17和第二卡箍18；第一卡箍17套设在第一固定件10远离第一负极11的一端，卡紧第一固定件10；第二卡箍18套设在第二固定件16远离第二负极15的一端，卡紧第二固定件16。。其中，第一卡箍17和第二卡箍18的材料均包括铝合金或紫铜。

在一个具体实现过程中，第一连接件12和第二连接件14的材料均包括尼龙、abs树脂或聚四氟乙烯。第一固定件10和第二固定件16的介电常数均小于第一预设阈值，且第一固定件10和第二固定件16的介电损耗均小于第二预设阈值。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。