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电容传感器的数字化测量方法 |
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。 一、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。 二、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约为1000pF的电容，用555做成振荡电路，硬件调整时先用一个标准的1000pF 电容替代Cx，调整R1使输出脉冲频率为2kHz。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1μs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1000pF 时为±1pF。 三、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、连接导线电容和其他分布电容）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他分布电容）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约为30pF，传感器基本电容为1000pF，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。 四、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3 C值系数软件框图 五、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。 |