現代工業的發展，對工況參數的實時監測已顯得越來越重要了，參數監測分電量和非電量兩大類。對于非電量參數的測量，測量的成功與否決定于傳感器的質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，在工業現場它作為流量、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，電容傳感器在生產開采、安全監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測監控有著重要的意義。 一、電容傳感器的特點 電容傳感器主體由兩個極板組成，結構簡單，可組成平板、曲面、圓筒等多種形式，極板一般由金屬做成，能經受很大的溫度變化及輻射等惡劣環境條件。 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，可動的質量也小，因而它的固有頻率很高，可以保證有良好的動態特性。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生影響。 傳統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）；脈沖寬度調制電路；調頻電路等等。模擬測量方法電路環節多，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、數字化測量原理 數字化測量首先是將傳感器的電容量變為頻率信號，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=1.443/［（R1+2R2）Cx］，振蕩器原理電路如圖1所示，線路結構簡單，受電源等外界因素影響小，振蕩頻率穩定。 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常數ε的改變，都表現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進行計數，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（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約為1000pF的電容，用555做成振蕩電路，硬件調整時先用一個標準的1000pF 電容替代Cx，調整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，上升沿觸發并允許INT0中斷；T0為16位定時器，由T0r觸發。系統時鐘用12MHz晶振，則T0每隔1μs計數器加1，16位定時器計滿為65536μs，設計要求電容為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。 電路標準頻率的調整，可用頻率計測量，也可運行測量程序進行讀數，當得到A=1000時即可。1000pF標準電容用穩定性好的獨石電容，R1用多圈精密電位器，調整完畢用Cx取代C即可進行測量。線路調整方便，性能穩定，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、連接導線電容和其他分布電容）較大，而ΔC則很小，倘若基本電容穩定，運用上述方法也能很好地測出ΔC。但是，由于環境（介質溫濕度、靜電等）的變化，使基本電容（主要是連接導線電容和其他分布電容）發生較大變化，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。原理電路如圖2所示。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通過模擬多路開關連至振蕩器。工作時控制多路開關分別接通芯線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約為30pF，傳感器基本電容為1000pF，環境影響引起的電容變化為0～200 pF，利用比較電容法檢測ΔCx，準確地拾取到了有用信號。 四、檢測軟件框圖 電容量Cx的采數軟件框圖如圖3所示，用MCS51匯編語言編寫。采用單片機系統，不僅可以精確測量Cx和ΔCx，而且可使應用該傳感器的系統實現智能化，采集軟件可以作為整個系統的一個子程序來調用。 五、結語 數字化測量電容傳感器容量，可使信號在傳感器就地轉換為數字信號后，進行遠距離傳輸，轉換電路簡單性能穩定。比較電容法檢測ΔCx，克服了導線電容分布電容等受環境變化而造成的影響，使檢測信號真實可靠，系統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。