实用型料位检测电容传感器的设计

摘要：介绍了一种用于料位检测的电容式传感器的结构设计方法。并针对所设计的传感器，给出了相应的检测电路及其原理，同时给出了通过该传感器对砂石样本得出的具体检测数据的试验结果。
关键词：料位检测；电容式传感器；C-V变换

0 引言
    电容式传感器具有结构简单，分辨率高，低成本、体积小、抗干扰能力强，动态响应快，以及可连续在线测量等优点，因而在电子测量技术中占有十分重要的地位。但是，电容式传感器的电容值十分微小，这样微小的电容必须借助于专用测量电路来检测，并将其转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。为此，本文研究了电容传感器在物料测量中的应用，介绍了一种料位测量实验装置，并以砂石介质为样本，给出了一种适合于料位检测的最佳测量电路。

1 检测装置的基本原理
    本设计的测量装置采用圆筒型电容传感器，其具体结构如图1所示。这种形状的电容式料位传感器常用于松散型颗粒状物料和粉料状物料的检测，如煤粉、沙子、粮食等料面连续测量与位式测量，也便于颗粒状物料的装入，而且，采用圆筒型传感器可减小边缘效应对电容值的影响。另外，由于它的电极是非对称的，即内极板被外极板所包络，因而可以十分有效地抑制人体感应。该圆筒型电容传感器的计算公式如下：
   

    式中：C0为未装入物料时传感器的初始电容；ε0为空气的介电常数；L为两电极的长度；R2为外电极的半径；R1为内电极的半径。

    当装入物料位为H时，传感器的电容量Cx为：
   

    式中，ε为被测物料的介电常数。
    由上俩式可知，当被测物料位置由零增加到H时，传感器的电容变化量为：
   

    显然，参数ε，R2，R1均为定值，因此，圆筒型电容传感器的电容变化量与料位H是一一对应的关系，即测取传感器的电容量就可确定被测料位。
    实验时，可采用本传感器并以砂石料斗壁为电容传感器的一极，另一极为金属棒，两电极之间由损耗很小的窄条介质连接。结构可选为R2=15cm，R1=3cm，L=100cm。极板与检测电路的连线应较短，且连线外应加屏蔽线，这样可减小外界寄生电压的干扰。通过容器内砂石量的变化引起电容量的变化，可以建立C-V之间的关系，以寻找最佳检测电路，进而建立砂石料位与电压的关系。

2 检测电路方案设计
    充放电法是利用被测电容CX的充放电原理来对电容量的测量。这种方法对于测量微小电容很实用，W．C．Heerens教授从理论上论证了可消除分布电容对传感器的影响。本文基于电容充放电原理设计了两个检测电路，可通过实验加以比较，从而选出最佳测量电路。
2．1 方案一的设计分析
    第一种测试电路如图2所示。该电路利用双时基集成电路556来产生可调方波宽度随被测电容Cx变化的电压信号，其中A1：A为一方波振荡电路，引脚5输出的方波信号经C2、R2组成的微分电路后，可按周期T=0．69(R1+R2)C1形成连续尖脉冲连到A1：B的反向触发端。A1：B作单稳态工作，其在A1：A输出脉冲的下降沿触发后，输出变正，电容Cx开始充电，电压随之上升，当其电压值高于2Vcc／3时，内部D触发器反转，输出变低，引脚9输出的方波宽度为T1=0．69R3Cx，且随被测电容Cx成线性变化，其输出再经电容C4、R4滤波平均后，其电压就可直接表示Cx的大小，从而输出与电容成确定比例变化的电压信号。

2．2 方案二的设计分析
    该方案的电路由555占空比可调的多谐振荡电路、二极管环形测量电路和运算放大电路组成。555占空比可调的多谐振荡电路可为二极管环形测量电路提供3MHz方波电压信号，测量则应用的是二极管环形测量电路对电容器的充放电原理。二极管环形测量电路输出的直流电流信号一般为0～5mA，为了满足调节与控制的需要，应对其进行电流／电压变换，并加以放大，同时要保持良好的线性关系。其整体电路如图3所示。

3 两种方案的试验对比分析
    将电容式传感器按设计要求与检测电路接好线，即可进行模拟测试。通过模拟改变被测电容Cx，可分别对两种设计电路测出它们的输出的电压V，表1所列为其测试数据。

    根据上面试验数据进行描点作图所得出的两种检测电路的特性曲线如图4所示。

    从图4可以看出，方案二测试电路的输入、输出线性度比较好，灵敏度高，稳定性好，抗寄生电容干扰能力强，且容易实现，成本相对比较低廉。
    表2所列是以砂石为样本时的输出电压值。

    根据测量结果看，本文所设计的传感器及检测电路能适应料位检测数据采样的需要。其直流信号通过放大电路后，再送入A／D转换器，便可由计算机系统处理输出。

4 结束语
    本文给出了一种电容式料位传感器的设计原理，并通过试验得出了电容式料位传感器的最佳电容量测量电路。故可为后续的电路设计奠定基础。虽然此料位传感器在试验时以砂石为介质，但该传感器完全可以用于松散型颗粒状物料和粉料状物料的检测，如煤粉、沙子、粮食等料面的连续测量。
    在实际工程当中，如果使用的容器比较规则，体积可以计算，则此传感器也可用于物料的称重。另外，虽然此电容式传感器及其检测电路能检测出物料的物位，但是，为了提高检测的准确度，使用时还要考虑温度、湿度、紧实度等因素的影响。