自制平板式电容传感器应用于水位测量实验

引言

在工业生产过程中, 经常需要对物体的位置进行检测与控制，其中电容传感器的应用占有十分重要的地位，它有温度稳定性好，结构简单，适应性强，动态响应快，并能实现非接触式测量等特点。学生通过传感器应用的综合性实验，不仅能学到电工电子技术和检测与转换技术方面的知识，还能进一步激发学生的创新精神和实验研究热情，接触工业控制前沿信息，培养学生的事件综合与研究能力。

1 、电容传感器原理与结构

自行研制的平板电容器结构示意图如图1 所示。

传感器由两个金属极板和介于其间的电介质所组成，设每极板面积 S（m2），两极板内表面之间相距为 d（m），电容器介质的介电常数为ε（F/m）时，电容器的电容量是构成电容器的两个极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。其电容量 C x （F ）为：

由式（1 - 1 ）可见，在 S ，d ，ε三个参量中，只要保持其中两个不变，其中的一个均可使电容 Cx 变化。在实际测量中，将两个金属片放入需要测量水位的水箱中，其中两个金属片作为电极且表面采用油漆绝缘，若水箱内介质的介电常数为ε1，介质上面的气体的介电常数为ε2，电极总长度为 L0，水的高度为L，当水位发生变化时，两个板间的总电容量为两个电容并联。由式（1-1）可得：

当L=0 时，传感器的初始电容量为：

当被测电介质进入极板间 L 深度后，引起电容相对变化量为：

由式（1- 4）可见，电容变化量与电介质移动量 L 呈线性关系。

2 、测量电路

测量电路由变换振荡器电路、频压变换电路和放大电路等三个部分组成。实验线路图如图2所示。其中变换振荡器将实现电容量变换成频率的功能；频压变换电路能将频率信号转换为直流电压信号；放大电路将实现信号调零和放大功能。

2.1 变换振荡器电路

变换振荡器电路由 555 定时器芯片IC1，定时电阻 RA、RB，定时电容 C 等几个元件组成。定时电容C（C1和CX）在充电、放电过程中，其电压在 Vcc/3～2Vcc/3 之间，因此振荡器输出频率为：

由式（2- 1）可见，变换振荡器输出频率会随着电容传感器电容量CX的变化而变化。

2.2 频压变换电路

频压变换电路由555定时器芯片IC2和R1、R2、R3、R4、C3、C4、C5、C6等几个元件组成的单稳定时电路，暂态时间T=1.1R2C4，当变换振荡器输出频率发生变化时，频压变换电路输出波形的占空比会发生变化，其直流成分将随频率变高而增加并经过滤波电路 R3、R4、C6后变成直流，再由电压跟随器IC3进行隔离输出。