現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對工況參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測已顯得越來越重要了，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，測量的成功與否決定于傳感器的質(zhì)量和對感應(yīng)信號(hào)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普遍的一種了，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，應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。在煤炭行業(yè)，電容傳感器在生產(chǎn)開采、安全監(jiān)測及選煤自動(dòng)化方面已大量應(yīng)用，正確及時(shí)取得電容傳感器的信號(hào)對監(jiān)測監(jiān)控有著重要的意義。 一、電容傳感器的特點(diǎn) 電容傳感器主體由兩個(gè)極板組成，結(jié)構(gòu)簡單，可組成平板、曲面、圓筒等多種形式，極板一般由金屬做成，能經(jīng)受很大的溫度變化及輻射等惡劣環(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(gè)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，需要作用的能量也小，可動(dòng)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(dòng)態(tài)特性。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(hào)的提取比較困難。同時(shí)由于電容小，分布電容和寄生電容對靈敏度和測量精度都產(chǎn)生影響。 傳統(tǒng)的測量方法采用模擬電路測量手段，主要有電橋電路（普通交流電橋、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。模擬測量方法電路環(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。 二、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(hào)，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，線路結(jié)構(gòu)簡單，受電源等外界因素影響小，振蕩頻率穩(wěn)定。 由電容傳感器的作用原理可知，不管是其極板間距離d的改變、極板相對面積S的改變或是電容介質(zhì)常數(shù)ε的改變，都表現(xiàn)為是電容容量的改變。因f與C成反比，要測量Cx或ΔCx，不能直接對f進(jìn)行計(jì)數(shù)，用Δf計(jì)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(gè)可精確測量的參量A，采取一定措施，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。 目前流行的單片機(jī)都有外脈沖觸發(fā)（INT0，INT1）功能和定時(shí)器（T0，T1）功能，利用有Cx參與振蕩的脈沖觸發(fā)定時(shí)器啟動(dòng)和停止，在軟件的控制下便可得到與Cx相對應(yīng)的A。舉例說明如下： 若要測量一個(gè)Cx約為1000pF的電容，用555做成振蕩電路，硬件調(diào)整時(shí)先用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1000pF 電容替代Cx，調(diào)整R1使輸出脈沖頻率為2kHz。單片機(jī)初始化定義INT0為外部脈沖輸入，上升沿觸發(fā)并允許INT0中斷；T0為16位定時(shí)器，由T0r觸發(fā)。系統(tǒng)時(shí)鐘用12MHz晶振，則T0每隔1μs計(jì)數(shù)器加1，16位定時(shí)器計(jì)滿為65536μs，設(shè)計(jì)要求電容為1000pF時(shí)，參量A也為1000，即A隨Cx而變，分辨率為1pF。 把振蕩脈沖輸入到INT0端，在INT0的第1個(gè)中斷里，啟動(dòng)T0，共計(jì)16個(gè)脈沖周期，在第17個(gè)INT0中斷時(shí)，停止T0計(jì)時(shí)，讀取TH0和TL0的值。當(dāng)脈沖振蕩頻率為2kHz時(shí)，周期為500μs，16個(gè)周期為8000μs，這也是T0的定時(shí)值，將T0結(jié)果除以8，即TH0、TL0右移3位，就可求得A值，即對應(yīng)Cx的值。 電路標(biāo)準(zhǔn)頻率的調(diào)整，可用頻率計(jì)測量，也可運(yùn)行測量程序進(jìn)行讀數(shù)，當(dāng)?shù)玫紸=1000時(shí)即可。1000pF標(biāo)準(zhǔn)電容用穩(wěn)定性好的獨(dú)石電容，R1用多圈精密電位器，調(diào)整完畢用Cx取代C即可進(jìn)行測量。線路調(diào)整方便，性能穩(wěn)定，檢測精度1000pF 時(shí)為±1pF。 三、電容量微小變化的測量 在實(shí)際應(yīng)用中，往往是要檢測電容傳感器容量的變化量ΔC=Ct1－Ct0，由于傳感器設(shè)計(jì)和安裝的不同，基本電容（傳感器的空載電容、連接導(dǎo)線電容和其他分布電容）較大，而ΔC則很小，倘若基本電容穩(wěn)定，運(yùn)用上述方法也能很好地測出ΔC。但是，由于環(huán)境（介質(zhì)溫濕度、靜電等）的變化，使基本電容（主要是連接導(dǎo)線電容和其他分布電容）發(fā)生較大變化，ΔC被噪聲淹沒，一般方法較難測量ΔC。 下面介紹一種借助比較電容來測量ΔC的方法。原理電路如圖2所示。在傳感器連接至變送器（555振蕩器）時(shí)，采用雙芯屏蔽線，芯線a連至傳感器電容的正極板，作為信號(hào)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)成比較電容；屏蔽線連至傳感器電容的負(fù)極板（一般為接地極）。芯線a、b通過模擬多路開關(guān)連至振蕩器。工作時(shí)控制多路開關(guān)分別接通芯線a或芯線b，測量得到某一時(shí)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、分布電容等），由于芯線a、b完全在同一個(gè)環(huán)境里，故Ca′=Cb′，計(jì)算Ca－Cb=Cx，即得到不同時(shí)刻的Cx，也就能算得ΔC了。 在一個(gè)用電容傳感器進(jìn)行物位檢測的應(yīng)用中，物料的有無電容變化約為30pF，傳感器基本電容為1000pF，環(huán)境影響引起的電容變化為0～200 pF，利用比較電容法檢測ΔCx，準(zhǔn)確地拾取到了有用信號(hào)。 四、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。采用單片機(jī)系統(tǒng)，不僅可以精確測量Cx和ΔCx，而且可使應(yīng)用該傳感器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，采集軟件可以作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)子程序來調(diào)用。 五、結(jié)語 數(shù)字化測量電容傳感器容量，可使信號(hào)在傳感器就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，轉(zhuǎn)換電路簡單性能穩(wěn)定。比較電容法檢測ΔCx，克服了導(dǎo)線電容分布電容等受環(huán)境變化而造成的影響，使檢測信號(hào)真實(shí)可靠，系統(tǒng)抗干擾能力大為增強(qiáng)。兩種方法在電容式煤粉倉粉位傳感器的具體檢測應(yīng)用中，取得了滿意的效果。