關(guān)于傳感器的檢測技術(shù)分析

　　現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對工況參數(shù)的實時監(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)量和對感應信號的提取。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，應用已相當廣泛。在煤炭行業(yè)，電容傳感器在生產(chǎn)開采、安全監(jiān)測及選煤自動化方面已大量應用，正確及時取得電容傳感器的信號對監(jiān)測監(jiān)控有著重要的意義。
　　
　　一、電容傳感器的特點
　　
　　電容傳感器主體由兩個極板組成，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，所以信號的提取比較困難。同時由于電容小，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，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=1443/［(R1+2R2)Cx］，振蕩器原理，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進行計算，用Δf計算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。
　　目前流行的單片機都有外脈沖觸發(fā)（INT0，INT1）功能和定時器（T0，T1）功能，利用有Cx參與振蕩的脈沖觸發(fā)定時器啟動和停止，在軟件的控制下便可得到與Cx相對應的A。舉例說明如下：
　　若要測量一個Cx為1000pF左右的電容，用555做成振蕩電路，硬件調(diào)整時先用一個標準的1000pF電容替代Cx，調(diào)整R1使輸出脈沖頻率為2kHz。單片機初始化定義INT0為外部脈沖輸入，上升沿觸發(fā)并允許INT0中斷；T0為16位定時器，由T0r觸發(fā)。系統(tǒng)時鐘用12MHz晶振，則T0每隔1μs計數(shù)器加1，16位定時器計滿為65536μs，設(shè)計要求電容為1000pF時，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個中斷里，啟動T0，共計16個脈沖周期，在第17個INT0中斷時，停止T0計時，讀取TH0和TL0的值。當脈沖振蕩頻率為2kHz時，周期為500μs，16個周期為8000μs，這也是T0的定時值，將T0結(jié)果除以8，即TH0、TL0右移3位，就可求得A值，即對應Cx的值。
　　電路標準頻率的調(diào)整，可用頻率計測量，也可運行測量程序進行讀數(shù)，當?shù)玫紸=1000時即可。1000pF標準電容用穩(wěn)定性好的獨石電容，R1用多圈精密電位器，調(diào)整完畢用Cx取代C即可進行測量。線路調(diào)整方便，性能穩(wěn)定，檢測精度1000pF時為±1pF。
　　
　　三、電容量微小變化的測量
　　
　　在實際應用中，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)計和安裝的不同，基本電容（傳感器的空載電容、連接導線電容和其它分布電容）較大，而ΔC則很小，倘若基本電容穩(wěn)定，運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（主要是連接導線電容和其它分布電容）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。在傳感器連接至變送器（555振蕩器）時，采用雙芯屏蔽線，芯線a連至傳感器電容的正極板，作為信號引線；芯線b連至盡量靠近傳感器，其本身的導線電容等構(gòu)成比較電容；屏蔽線連至傳感器電容的負極板（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，測量得到某一時刻的Ca、Cb，且Ca=Cx+Ca′、Cb=Cb′（Cx為傳感器感應電容，Ca′、Cb′為芯線a、b對應的導線電容、分布電容等），由于芯線a、b完全在同一個環(huán)境里，故Ca′=Cb′，計算Ca－Cb=Cx，即得到不同時刻的Cx，也就能算得ΔC了。
　　在一個用電容傳感器進行物位檢測的應用中，物料的有無電容變化為30pF左右，傳感器基本電容為1000pF，環(huán)境影響引起的電容變化為0～200pF，利用比較電容法檢測ΔCx，準確地拾取到了有用信號。
　　
　　四、檢測軟件框
　　
　　電容量Cx的采數(shù)軟件框，用MCS51匯編語言編寫。采用單片機系統(tǒng)，不僅可以精確測量Cx和ΔCx，而且可使應用該傳感器的系統(tǒng)實現(xiàn)智能化，采集軟件可以作為整個系統(tǒng)的一個子程序來調(diào)用。
　　
　　五、小結(jié)
　　
　　數(shù)字化測量電容傳感器容量，可使信號在傳感器就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，進行遠距離傳輸，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，使檢測信號真實可靠，系統(tǒng)抗干擾能力大為增強。兩種方法在電容式煤粉倉粉位傳感器的具體檢測應用中，取得了滿意的效果。
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