實(shí)用型料位檢測(cè)電容傳感器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種用于料位檢測(cè)的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。并針對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器，給出了相應(yīng)的檢測(cè)電路及其原理，同時(shí)給出了通過(guò)該傳感器對(duì)砂石樣本得出的具體檢測(cè)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：料位檢測(cè)；電容式傳感器；C-V變換

0 引言
    電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率高，低成本、體積小、抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，以及可連續(xù)在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，因而在電子測(cè)量技術(shù)中占有十分重要的地位。但是，電容式傳感器的電容值十分微小，這樣微小的電容必須借助于專用測(cè)量電路來(lái)檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓、電流或頻率信號(hào)。為此，本文研究了電容傳感器在物料測(cè)量中的應(yīng)用，介紹了一種料位測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，并以砂石介質(zhì)為樣本，給出了一種適合于料位檢測(cè)的最佳測(cè)量電路。

1 檢測(cè)裝置的基本原理
    本設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置采用圓筒型電容傳感器，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種形狀的電容式料位傳感器常用于松散型顆粒狀物料和粉料狀物料的檢測(cè)，如煤粉、沙子、糧食等料面連續(xù)測(cè)量與位式測(cè)量，也便于顆粒狀物料的裝入，而且，采用圓筒型傳感器可減小邊緣效應(yīng)對(duì)電容值的影響。另外，由于它的電極是非對(duì)稱的，即內(nèi)極板被外極板所包絡(luò)，因而可以十分有效地抑制人體感應(yīng)。該圓筒型電容傳感器的計(jì)算公式如下：
   
    式中：C0為未裝入物料時(shí)傳感器的初始電容；ε0為空氣的介電常數(shù)；L為兩電極的長(zhǎng)度；R2為外電極的半徑；R1為內(nèi)電極的半徑。

    當(dāng)裝入物料位為H時(shí)，傳感器的電容量Cx為：
   
    式中，ε為被測(cè)物料的介電常數(shù)。
    由上倆式可知，當(dāng)被測(cè)物料位置由零增加到H時(shí)，傳感器的電容變化量為：
   
    顯然，參數(shù)ε，R2，R1均為定值，因此，圓筒型電容傳感器的電容變化量與料位H是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即測(cè)取傳感器的電容量就可確定被測(cè)料位。
    實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用本傳感器并以砂石料斗壁為電容傳感器的一極，另一極為金屬棒，兩電極之間由損耗很小的窄條介質(zhì)連接。結(jié)構(gòu)可選為R2=15cm，R1=3cm，L=100cm。極板與檢測(cè)電路的連線應(yīng)較短，且連線外應(yīng)加屏蔽線，這樣可減小外界寄生電壓的干擾。通過(guò)容器內(nèi)砂石量的變化引起電容量的變化，可以建立C-V之間的關(guān)系，以尋找最佳檢測(cè)電路，進(jìn)而建立砂石料位與電壓的關(guān)系。

2 檢測(cè)電路方案設(shè)計(jì)
    充放電法是利用被測(cè)電容CX的充放電原理來(lái)對(duì)電容量的測(cè)量。這種方法對(duì)于測(cè)量微小電容很實(shí)用，W．C．Heerens教授從理論上論證了可消除分布電容對(duì)傳感器的影響。本文基于電容充放電原理設(shè)計(jì)了兩個(gè)檢測(cè)電路，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以比較，從而選出最佳測(cè)量電路。
2．1 方案一的設(shè)計(jì)分析
    第一種測(cè)試電路如圖2所示。該電路利用雙時(shí)基集成電路556來(lái)產(chǎn)生可調(diào)方波寬度隨被測(cè)電容Cx變化的電壓信號(hào)，其中A1：A為一方波振蕩電路，引腳5輸出的方波信號(hào)經(jīng)C2、R2組成的微分電路后，可按周期T=0．69(R1+R2)C1形成連續(xù)尖脈沖連到A1：B的反向觸發(fā)端。A1：B作單穩(wěn)態(tài)工作，其在A1：A輸出脈沖的下降沿觸發(fā)后，輸出變正，電容Cx開始充電，電壓隨之上升，當(dāng)其電壓值高于2Vcc／3時(shí)，內(nèi)部D觸發(fā)器反轉(zhuǎn)，輸出變低，引腳9輸出的方波寬度為T1=0．69R3Cx，且隨被測(cè)電容Cx成線性變化，其輸出再經(jīng)電容C4、R4濾波平均后，其電壓就可直接表示Cx的大小，從而輸出與電容成確定比例變化的電壓信號(hào)。

2．2 方案二的設(shè)計(jì)分析
    該方案的電路由555占空比可調(diào)的多諧振蕩電路、二極管環(huán)形測(cè)量電路和運(yùn)算放大電路組成。555占空比可調(diào)的多諧振蕩電路可為二極管環(huán)形測(cè)量電路提供3MHz方波電壓信號(hào)，測(cè)量則應(yīng)用的是二極管環(huán)形測(cè)量電路對(duì)電容器的充放電原理。二極管環(huán)形測(cè)量電路輸出的直流電流信號(hào)一般為0～5mA，為了滿足調(diào)節(jié)與控制的需要，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行電流／電壓變換，并加以放大，同時(shí)要保持良好的線性關(guān)系。其整體電路如圖3所示。

3 兩種方案的試驗(yàn)對(duì)比分析
    將電容式傳感器按設(shè)計(jì)要求與檢測(cè)電路接好線，即可進(jìn)行模擬測(cè)試。通過(guò)模擬改變被測(cè)電容Cx，可分別對(duì)兩種設(shè)計(jì)電路測(cè)出它們的輸出的電壓V，表1所列為其測(cè)試數(shù)據(jù)。

    根據(jù)上面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)作圖所得出的兩種檢測(cè)電路的特性曲線如圖4所示。

    從圖4可以看出，方案二測(cè)試電路的輸入、輸出線性度比較好，靈敏度高，穩(wěn)定性好，抗寄生電容干擾能力強(qiáng)，且容易實(shí)現(xiàn)，成本相對(duì)比較低廉。
    表2所列是以砂石為樣本時(shí)的輸出電壓值。

    根據(jù)測(cè)量結(jié)果看，本文所設(shè)計(jì)的傳感器及檢測(cè)電路能適應(yīng)料位檢測(cè)數(shù)據(jù)采樣的需要。其直流信號(hào)通過(guò)放大電路后，再送入A／D轉(zhuǎn)換器，便可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文給出了一種電容式料位傳感器的設(shè)計(jì)原理，并通過(guò)試驗(yàn)得出了電容式料位傳感器的最佳電容量測(cè)量電路。故可為后續(xù)的電路設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。雖然此料位傳感器在試驗(yàn)時(shí)以砂石為介質(zhì)，但該傳感器完全可以用于松散型顆粒狀物料和粉料狀物料的檢測(cè)，如煤粉、沙子、糧食等料面的連續(xù)測(cè)量。
    在實(shí)際工程當(dāng)中，如果使用的容器比較規(guī)則，體積可以計(jì)算，則此傳感器也可用于物料的稱重。另外，雖然此電容式傳感器及其檢測(cè)電路能檢測(cè)出物料的物位，但是，為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，使用時(shí)還要考慮溫度、濕度、緊實(shí)度等因素的影響。