實(shí)用型料位檢測(cè)電容傳感器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種用于料位檢測(cè)的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。并針對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器，給出了相應(yīng)的檢測(cè)電路及其原理，同時(shí)給出了通過(guò)該傳感器對(duì)砂石樣本得出的具體檢測(cè)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：料位檢測(cè)；電容式傳感器；C-V變換

0 引言
電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率高，低成本、體積小、抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，以及可連續(xù)在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，因而在電子測(cè)量技術(shù)中占有十分重要的地位。但是，電容式傳感器的電容值十分微小，這樣微小的電容必須借助于專用測(cè)量電路來(lái)檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓、電流或頻率信號(hào)。為此，本文研究了電容傳感器在物料測(cè)量中的應(yīng)用，介紹了一種料位測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，并以砂石介質(zhì)為樣本，給出了一種適合于料位檢測(cè)的最佳測(cè)量電路。

1 檢測(cè)裝置的基本原理
本設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置采用圓筒型電容傳感器，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種形狀的電容式料位傳感器常用于松散型顆粒狀物料和粉料狀物料的檢測(cè)，如煤粉、沙子、糧食等料面連續(xù)測(cè)量與位式測(cè)量，也便于顆粒狀物料的裝入，而且，采用圓筒型傳感器可減小邊緣效應(yīng)對(duì)電容值的影響。另外，由于它的電極是非對(duì)稱的，即內(nèi)極板被外極板所包絡(luò)，因而可以十分有效地抑制人體感應(yīng)。該圓筒型電容傳感器的計(jì)算公式如下：

式中：C0為未裝入物料時(shí)傳感器的初始電容；ε0為空氣的介電常數(shù)；L為兩電極的長(zhǎng)度；R2為外電極的半徑；R1為內(nèi)電極的半徑。

當(dāng)裝入物料位為H時(shí)，傳感器的電容量Cx為：

式中，ε為被測(cè)物料的介電常數(shù)。
由上倆式可知，當(dāng)被測(cè)物料位置由零增加到H時(shí)，傳感器的電容變化量為：

顯然，參數(shù)ε，R2，R1均為定值，因此，圓筒型電容傳感器的電容變化量與料位H是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即測(cè)取傳感器的電容量就可確定被測(cè)料位。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用本傳感器并以砂石料斗壁為電容傳感器的一極，另一極為金屬棒，兩電極之間由損耗很小的窄條介質(zhì)連接。結(jié)構(gòu)可選為R2=15cm，R1=3cm，L=100cm。極板與檢測(cè)電路的連線應(yīng)較短，且連線外應(yīng)加屏蔽線，這樣可減小外界寄生電壓的干擾。通過(guò)容器內(nèi)砂石量的變化引起電容量的變化，可以建立C-V之間的關(guān)系，以尋找最佳檢測(cè)電路，進(jìn)而建立砂石料位與電壓的關(guān)系。