【阿里巴巴冶金】　摘　要　敘述了對電容傳感器進行數(shù)字化測量的原理及方式，介紹了小容量電容的測量和電容渺小變革量的測量的具體措施。

　　要害詞　電容傳感器　小電容　電容渺小變革量　數(shù)字化測量

Digital Measuring of Capacitance Sensor

　　Capacitance sensors are highly applied in automation of coal mining, mine safety measuring and monitoring, and coal preparation. A conventional capacitance measuring method had to use a simulation circuit measurement. The circuit had many circulation and was easy to be influenced by zero drift and temperature drift. digital measurement is to exchange the capacitance variation of the sensor to a frequency signal normally with a LC oscillation and RC oscillation. The oscillation frequency and capacitance value are inversely proportional. If an accurate measured date is A, a total capacitance volume can be measured from a measurement of A. A small variation of the capacitance value can be measured from a comparison capacitance. A date collection software of the capacitance value is made of MCS51 language. And the software can be used as a subprogram of the whole system. The volume of the digital measuring capacitance can convert the signal of the sensor into the digital signal. Then the digital signal can be transmitted for a long distance. The conversion circuit is simple and stable.

　　現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對工況參數(shù)的實時監(jiān)測已顯得越來越首要了，參數(shù)監(jiān)測分電量和非電量兩大類。對于非電量參數(shù)的測量，測量的勝利與否抉擇于傳感器的質(zhì)量和對感應(yīng)信號的提取。在各類非電量傳感器中，電容傳感器可以說是用得最廣泛的一種了，在工業(yè)現(xiàn)場它作為流量、壓力、位移、液位、速度、加速度等物理量的傳感元件，利用已相當(dāng)普遍。在煤炭行業(yè)，電容傳感器在生產(chǎn)開采、安全監(jiān)測及選煤主動化方面已大批利用，準(zhǔn)確及時取得電容傳感器的信號對監(jiān)測監(jiān)控有著首要的意義。

1　電容傳感器的特性

　　電容傳感器主體由兩個極板組成，構(gòu)造簡略，可組成平板、曲面、圓筒等多種情勢，極板一般由金屬做成，能經(jīng)受很大的溫度變革及輻射等惡劣環(huán)境條件。

　　電容傳感器由于受幾何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般僅幾個pF到幾十pF。因C太小，故容抗很大，為高阻抗元件；由于電容小，須要作用的能量也小，可動的質(zhì)量也小，因而它的固有頻率很高，可以保證有良好的動態(tài)特征。傳感器的視在功率P=U20ωC，C很小，P也很小，這使它易受到外界的干擾，所以信號的提取對比艱難。同時由于電容小，散布電容和寄生電容對敏銳度和測量精度都發(fā)生影響。

　　傳統(tǒng)的測量方式采納模仿電路測量手法，重要有電橋電路（普通交換電橋、變壓器電橋、雙T二極管電橋）；脈沖寬度調(diào)制電路；調(diào)頻電路等等。模仿測量方式電路環(huán)節(jié)多，容易受零漂溫漂的影響，尤其對小電容的測量，更難保證測量精度。

2　數(shù)字化測量原理

　　數(shù)字化測量首先是將傳感器的電容量變?yōu)轭l率信號，常用的有LC振蕩和RC振蕩。以555多諧振蕩器為例，若被測電容為Cx其振蕩頻率為f=1.443/［(R1+2R2)Cx］，振蕩器原理電路如圖1所示，線路構(gòu)造簡略，受電源等外界因素影響小，振蕩頻率穩(wěn)固。

圖1　C/ f轉(zhuǎn)換電原理圖

　　由電容傳感器的作用原理可知，不管是其極板間距離d的轉(zhuǎn)變、極板相對面積S的轉(zhuǎn)變或是電容介質(zhì)常數(shù)ε的轉(zhuǎn)變，都表示為是電容容量的轉(zhuǎn)變。因f與C成反比，要測量Cx或ΔCx，不能直接對f進行計數(shù)，用Δf盤算ΔCx更是繁瑣，然而振蕩周期T=1/f=KCx與Cx成正比，所以，若定義一個可準(zhǔn)確測量的參量A，采用必定辦法，使得A=（1/K）T=Cx，則測出A即得到Cx，算出ΔA也就等于算出ΔCx。

　　目前盛行的單片機都有外脈沖觸發(fā)（INT0，INT1）功效和定時器（T0，T1）功效，應(yīng)用有Cx參與振蕩的脈沖觸發(fā)定時器啟動和結(jié)束，在軟件的操縱下便可得到與Cx相對應(yīng)的A。舉例闡明如下：

　　若要測量一個Cx為1000pF左右的電容，用555做成振蕩電路，硬件調(diào)解時先用一個尺度的1 000 pF 電容替代Cx，調(diào)解R1使輸出脈沖頻率為2 kHz。單片機初始化定義INT0為外部脈沖輸入，上升沿觸發(fā)并容許INT0中止；T0為16位定時器，由T0r觸發(fā)。體系時鐘用12MHz晶振，則T0每隔1　μs計數(shù)器加1，16位定時器計滿為65536μs，設(shè)計請求電容為1000pF時，參量A也為1000，即A隨Cx而變，分別率為1pF。

　　把振蕩脈沖輸入到INT0端，在INT0的第1個中止里，啟動T0，共計16個脈沖周期，在第17個INT0中止時，結(jié)束T0計時，讀取TH0和TL0的值。當(dāng)脈沖振蕩頻率為2kHz時，周期為500μs，16個周期為8000μs，這也是T0的定時值，將T0成果除以8，即TH0、TL0右移3位，就可求得A值，即對應(yīng)Cx的值。

　　電路尺度頻率的調(diào)解，可用頻率計測量，也可運行測量程序進行讀數(shù)，當(dāng)?shù)玫紸=1000時即可。1000pF尺度電容用穩(wěn)固性好的獨石電容，R1用多圈精密電位器，調(diào)解完畢用Cx代替C即可進行測量。線路調(diào)解便利，性能穩(wěn)固，檢測精度1000 pF 時為±1 pF。

3　電容量渺小變革的測量

　　在實際利用中，往往是要檢測電容傳感器容量的變革量ΔC=Ct1－Ct0，由于傳感器設(shè)計和安裝的不同，基礎(chǔ)電容（傳感器的空載電容、銜接導(dǎo)線電容和其它散布電容）較大，而ΔC則很小，倘若基礎(chǔ)電容穩(wěn)固，應(yīng)用上述方式也能很好地測出ΔC。但是，由于環(huán)境（介質(zhì)溫濕度、靜電等）的變革，使基礎(chǔ)電容（重要是銜接導(dǎo)線電容和其它散布電容）產(chǎn)生較大變革，ΔC被噪聲吞沒，一般方式較難測量ΔC。

　　下面介紹一種借助對比電容來測量ΔC的方式。原理電路如圖2所示。在傳感器銜接至變送器（555振蕩器）時，采納雙芯屏蔽線，芯線a連至傳感器電容的正極板，作為信號引線；芯線b連至盡量靠近傳感器，其本身的導(dǎo)線電容等構(gòu)成對比電容；屏蔽線連至傳感器電容的負極板（一般為接地極）。芯線a、b通過模仿多路開關(guān)連至振蕩器。工作時操縱多路開關(guān)辨別接通芯線a或芯線b，測量得到某一時刻的Ca、Cb，且Ca=Cx+Ca′、Cb=Cb′（Cx為傳感器感應(yīng)電容，Ca′、Cb′為芯線a、b對應(yīng)的導(dǎo)線電容、散布電容等），由于芯線a、b完整在同一個環(huán)境里，故Ca′=Cb′，盤算Ca－Cb=Cx，即得到不同時刻的Cx，也就能算得ΔC了。

圖2　對比電容法測量原理

　　在一個用電容傳感器進行物位檢測的利用中，物料的有無電容變革為30 pF左右，傳感器基礎(chǔ)電容為1 000 pF，環(huán)境影響引起的電容變革為0～200 pF，應(yīng)用對比電容法檢測ΔCx，正確地拾取到了有用信號。

4　檢測軟件框圖

　　電容量Cx的采數(shù)軟件框圖如圖3所示，用MCS51匯編語言編寫。采納單片機體系，不僅可以準(zhǔn)確測量Cx和ΔCx，而且可使利用該傳感器的體系實現(xiàn)智能化，采集軟件可以作為全體體系的一個子程序來調(diào)用。

圖3　C值系數(shù)軟件框圖

5　結(jié)　　語

　　數(shù)字化測量電容傳感器容量，可使信號在傳感器就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，進行遠距離傳輸，轉(zhuǎn)換電路簡略性能穩(wěn)固。對比電容法檢測ΔCx，戰(zhàn)勝了導(dǎo)線電容散布電容等受環(huán)境變革而造成的影響，使檢測信號真實可靠，體系抗干擾才能大為加強。兩種方式在電容式煤粉倉粉位傳感器的具體檢測利用中，取得了滿意的后果。

作者簡介　宗偉林　1963年生，工程師，1988年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)工業(yè)電氣主動化專業(yè)，現(xiàn)在中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院從事科研工作。地址：江蘇省徐州市，郵碼：221008。

作者單位：中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院

參考文獻

　1　黃應(yīng)川.非電量檢測.北京：中國計量出版社，1990