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：