實用型料位檢測電容傳感器的設計

摘要：介紹了一種用于料位檢測的電容式傳感器的結構設計方法。并針對所設計的傳感器，給出了相應的檢測電路及其原理，同時給出了通過該傳感器對砂石樣本得出的具體檢測數(shù)據(jù)的試驗結果。
關鍵詞：料位檢測；電容式傳感器；C-V變換

0 引言
電容式傳感器具有結構簡單，分辨率高，低成本、體積小、抗干擾能力強，動態(tài)響應快，以及可連續(xù)在線測量等優(yōu)點，因而在電子測量技術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量電路來檢測，并將其轉換為與其成正比的電壓、電流或頻率信號。為此，本文研究了電容傳感器在物料測量中的應用，介紹了一種料位測量實驗裝置，并以砂石介質為樣本，給出了一種適合于料位檢測的最佳測量電路。

1 檢測裝置的基本原理
本設計的測量裝置采用圓筒型電容傳感器，其具體結構如圖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，如煤粉、沙子、糧食等料面連續(xù)測量與位式測量，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對電容值的影響。另外，由于它的電極是非對稱的，即內極板被外極板所包絡，因而可以十分有效地抑制人體感應。該圓筒型電容傳感器的計算公式如下：

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

當裝入物料位為H時，傳感器的電容量Cx為：

式中，ε為被測物料的介電常數(shù)。
由上倆式可知，當被測物料位置由零增加到H時，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是一一對應的關系，即測取傳感器的電容量就可確定被測料位。
實驗時，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連接。結構可選為R2=15cm，R1=3cm，L=100cm。極板與檢測電路的連線應較短，且連線外應加屏蔽線，這樣可減小外界寄生電壓的干擾。通過容器內砂石量的變化引起電容量的變化，可以建立C-V之間的關系，以尋找最佳檢測電路，進而建立砂石料位與電壓的關系。