电容传感器的数字化测量方法

digital measuring of capacitance sensorcapacitance 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重要了，参数监测分电量和非电量两大类。对于非电量参数的测量，测量的成功与否决定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普遍的一种了，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，应用已相当广泛。在煤炭行业，电容传感器在生产开采、安全监测及选煤自动化方面已大量应用，正确及时取得电容传感器的信号对监测监控有着重要的意义。1 电容传感器的特点电容传感器主体由两个极板组成，结构简单，可组成平板、曲面、圆筒等多种形式，极板一般由金属做成，能经受很大的温度变化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，需要作用的能量也小，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性。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，所以信号的提取比较困难。同时由于电容小，分布电容和寄生电容对灵敏度和测量精度都产生影响。传统的测量方法采用模拟电路测量手段，主要有电桥电路（普通交流电桥、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。模拟测量方法电路环节多，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，线路结构简单，受电源等外界因素影响小，振荡频率稳定。图1c/ 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的改变、极板相对面积s的改变或是电容介质常数ε的改变，都表现为是电容容量的改变。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计算δcx更是繁琐，然而振荡周期t=1/f=kcx与cx成正比，所以，若定义一个可精确测量的参量a，采取一定措施，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。目前流行的单片机都有外脉冲触发（int0，int1）功能和定时器（t0，t1）功能，利用有cx参与振荡的脉冲触发定时器启动和停止，在软件的控制下便可得到与cx相对应的a。举例说明如下：若要测量一个cx为1000pf左右的电容，用555做成振荡电路，硬件调整时先用一个标准的1 000 pf 电容替代cx，调整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，上升沿触发并允许int0中断；t0为16位定时器，由t0r触发。系统时钟用12mhz晶振，则t0每隔1 μs计数器加1，16位定时器计满为65536μs，设计要求电容为1000pf时，参量a也为1000，即a随cx而变，分辨率为1pf。把振荡脉冲输入到int0端，在int0的第1个中断里，启动t0，共计16个脉冲周期，在第17个int0中断时，停止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结果除以8，即th0、tl0右移3位，就可求得a值，即对应cx的值。电路标准频率的调整，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标准电容用稳定性好的独石电容，r1用多圈精密电位器，调整完毕用cx取代c即可进行测量。线路调整方便，性能稳定，检测精度1000 pf 时为±1 pf。3 电容量微小变化的测量在实际应用中，往往是要检测电容传感器容量的变化量δc=ct1－ct0，由于传感器设计和安装的不同，基本电容（传感器的空载电容、连接导线电容和其它分布电容）较大，而δc则很小，倘若基本电容稳定，运用上述方法也能很好地测出δc。但是，由于环境（介质温湿度、静电等）的变化，使基本电容（主要是连接导线电容和其它分布电容）发生较大变化，δc被噪声淹没，一般方法较难测量δc。下面介绍一种借助比较电容来测量δc的方法。原理电路如图2所示。在传感器连接至变送器（555振荡器）时，采用双芯屏蔽线，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比较电容；屏蔽线连至传感器电容的负极板（一般为接地极）。芯线a、b通过模拟多路开关连至振荡器。工作时控制多路开关分别接通芯线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、分布电容等），由于芯线a、b完全在同一个环境里，故ca′=cb′，计算ca－cb=cx，即得到不同时刻的cx，也就能算得δc了。图2比较电容法测量原理在一个用电容传感器进行物位检测的应用中，物料的有无电容变化为30 pf左右，传感器基本电容为1 000 pf，环境影响引起的电容变化为0～200 pf，利用比较电容法检测δcx，准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。采用单片机系统，不仅可以精确测量cx和δcx，而且可使应用该传感器的系统实现智能化，采集软件可以作为整个系统的一个子程序来调用。

图3c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，转换电路简单性能稳定。比较电容法检测δcx，克服了导线电容分布电容等受环境变化而造成的影响，使检测信号真实可靠，系统抗干扰能力大为增强。两种方法在电容式煤粉仓粉位传感器的具体检测应用中，取得了满意的效果。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自动化专业，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

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