【阿里巴巴冶金】　摘　要　叙述了对电容传感器进行数字化测量的原理及方式，介绍了小容量电容的测量和电容渺小变革量的测量的具体措施。

　　要害词　电容传感器　小电容　电容渺小变革量　数字化测量

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.

　　现代工业的发展，对工况参数的实时监测已显得越来越首要了，参数监测分电量和非电量两大类。对于非电量参数的测量，测量的胜利与否抉择于传感器的质量和对感应信号的提取。在各类非电量传感器中，电容传感器可以说是用得最广泛的一种了，在工业现场它作为流量、压力、位移、液位、速度、加速度等物理量的传感元件，利用已相当普遍。在煤炭行业，电容传感器在生产开采、安全监测及选煤主动化方面已大批利用，准确及时取得电容传感器的信号对监测监控有着首要的意义。

1　电容传感器的特性

　　电容传感器主体由两个极板组成，构造简略，可组成平板、曲面、圆筒等多种情势，极板一般由金属做成，能经受很大的温度变革及辐射等恶劣环境条件。

　　电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个pF到几十pF。因C太小，故容抗很大，为高阻抗元件；由于电容小，须要作用的能量也小，可动的质量也小，因而它的固有频率很高，可以保证有良好的动态特征。传感器的视在功率P=U20ωC，C很小，P也很小，这使它易受到外界的干扰，所以信号的提取对比艰难。同时由于电容小，散布电容和寄生电容对敏锐度和测量精度都发生影响。

　　传统的测量方式采纳模仿电路测量手法，重要有电桥电路（普通交换电桥、变压器电桥、双T二极管电桥）；脉冲宽度调制电路；调频电路等等。模仿测量方式电路环节多，容易受零漂温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度。

2　数字化测量原理

　　数字化测量首先是将传感器的电容量变为频率信号，常用的有LC振荡和RC振荡。以555多谐振荡器为例，若被测电容为Cx其振荡频率为f=1.443/［(R1+2R2)Cx］，振荡器原理电路如图1所示，线路构造简略，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳固。

图1　C/ f转换电原理图

　　由电容传感器的作用原理可知，不管是其极板间距离d的转变、极板相对面积S的转变或是电容介质常数ε的转变，都表示为是电容容量的转变。因f与C成反比，要测量Cx或ΔCx，不能直接对f进行计数，用Δf盘算ΔCx更是繁琐，然而振荡周期T=1/f=KCx与Cx成正比，所以，若定义一个可准确测量的参量A，采用必定办法，使得A=（1/K）T=Cx，则测出A即得到Cx，算出ΔA也就等于算出ΔCx。

　　目前盛行的单片机都有外脉冲触发（INT0，INT1）功效和定时器（T0，T1）功效，应用有Cx参与振荡的脉冲触发定时器启动和结束，在软件的操纵下便可得到与Cx相对应的A。举例阐明如下：

　　若要测量一个Cx为1000pF左右的电容，用555做成振荡电路，硬件调解时先用一个尺度的1 000 pF 电容替代Cx，调解R1使输出脉冲频率为2 kHz。单片机初始化定义INT0为外部脉冲输入，上升沿触发并容许INT0中止；T0为16位定时器，由T0r触发。体系时钟用12MHz晶振，则T0每隔1　μs计数器加1，16位定时器计满为65536μs，设计请求电容为1000pF时，参量A也为1000，即A随Cx而变，分别率为1pF。

　　把振荡脉冲输入到INT0端，在INT0的第1个中止里，启动T0，共计16个脉冲周期，在第17个INT0中止时，结束T0计时，读取TH0和TL0的值。当脉冲振荡频率为2kHz时，周期为500μs，16个周期为8000μs，这也是T0的定时值，将T0成果除以8，即TH0、TL0右移3位，就可求得A值，即对应Cx的值。

　　电路尺度频率的调解，可用频率计测量，也可运行测量程序进行读数，当得到A=1000时即可。1000pF尺度电容用稳固性好的独石电容，R1用多圈精密电位器，调解完毕用Cx代替C即可进行测量。线路调解便利，性能稳固，检测精度1000 pF 时为±1 pF。

3　电容量渺小变革的测量

　　在实际利用中，往往是要检测电容传感器容量的变革量ΔC=Ct1－Ct0，由于传感器设计和安装的不同，基础电容（传感器的空载电容、衔接导线电容和其它散布电容）较大，而ΔC则很小，倘若基础电容稳固，应用上述方式也能很好地测出ΔC。但是，由于环境（介质温湿度、静电等）的变革，使基础电容（重要是衔接导线电容和其它散布电容）产生较大变革，ΔC被噪声吞没，一般方式较难测量ΔC。

　　下面介绍一种借助对比电容来测量ΔC的方式。原理电路如图2所示。在传感器衔接至变送器（555振荡器）时，采纳双芯屏蔽线，芯线a连至传感器电容的正极板，作为信号引线；芯线b连至尽量靠近传感器，其本身的导线电容等构成对比电容；屏蔽线连至传感器电容的负极板（一般为接地极）。芯线a、b通过模仿多路开关连至振荡器。工作时操纵多路开关辨别接通芯线a或芯线b，测量得到某一时刻的Ca、Cb，且Ca=Cx+Ca′、Cb=Cb′（Cx为传感器感应电容，Ca′、Cb′为芯线a、b对应的导线电容、散布电容等），由于芯线a、b完整在同一个环境里，故Ca′=Cb′，盘算Ca－Cb=Cx，即得到不同时刻的Cx，也就能算得ΔC了。

图2　对比电容法测量原理

　　在一个用电容传感器进行物位检测的利用中，物料的有无电容变革为30 pF左右，传感器基础电容为1 000 pF，环境影响引起的电容变革为0～200 pF，应用对比电容法检测ΔCx，正确地拾取到了有用信号。

4　检测软件框图

　　电容量Cx的采数软件框图如图3所示，用MCS51汇编语言编写。采纳单片机体系，不仅可以准确测量Cx和ΔCx，而且可使利用该传感器的体系实现智能化，采集软件可以作为全体体系的一个子程序来调用。

图3　C值系数软件框图

5　结　　语

　　数字化测量电容传感器容量，可使信号在传感器就地转换为数字信号后，进行远距离传输，转换电路简略性能稳固。对比电容法检测ΔCx，战胜了导线电容散布电容等受环境变革而造成的影响，使检测信号真实可靠，体系抗干扰才能大为加强。两种方式在电容式煤粉仓粉位传感器的具体检测利用中，取得了满意的后果。

作者简介　宗伟林　1963年生，工程师，1988年毕业于中国矿业大学工业电气主动化专业，现在中国矿业大学信息与电气工程学院从事科研工作。地址：江苏省徐州市，邮码：221008。

作者单位：中国矿业大学信息与电气工程学院

参考文献

　1　黄应川.非电量检测.北京：中国计量出版社，1990