电容传感器对非导电液位的测量探讨

黄惠思

摘 要：电容式物位传感器，是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容传感器。在教学过程中，教师要让学生了解电容传感器的工作原理和对非导电液体液位的测量，提高学生综合应用能力。

关键词：电容传感器；液位；测量；能力培养

电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容传感器。具有可靠性高、安装方便等特点，可广泛应用冶金、采矿等部门作料位控制，是应用最广的一种物位传感器。

一、电容式传感器的工作原理

两个面对面放置的金属板构成一个平板电容器，若不考虑电容的边缘效应，其电容量为C=■。式中：A——两极板相互遮盖的有效面积；d——两极板间的距离，也称为极距；ε ——极板间物质介电常数。分析得出结论：当A、d、ε中的某一项发生变化，就改变了电容量C。即电容量C是A、d、ε的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。

①变间隙型电容传感器。被测量通过动极板移动引起两极板有效距离改变，从而得到电容量的变化，如图1. ②变面积式电容传感器。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化，如图2. ③变介电常数式，如图3。参见表1：几种常见物质的相对介电常数。

二、电容式物位计的工作原理

电容式物位计由电容式物位传感器和测量转换电路两部分构成。其基本工作原理是电容式物位传感器先把物体的位置变化转换为电量的变化，然后再测量电量，最后通过测量转换电路显示出物位的数值。

三、电容式物位传感器的结构特点

电容式物位传感器由两个导体电极（通常把被测物的容器壁作为一个电极）构成，由于电极间是介质（气体、流体或固体）而引起初始电容的改变，因此可以测量物料的物位。它的敏感元件有三种，线状、棒状和板状，最常用的为棒状。它工作温度、压力受中间介质的限制。电容式物位传感器一般采用微机控制，能够实现自动调整灵敏度，并且具有自诊断的功能，还能够检测一些敏感元件的破损和绝缘程度的降低以及电缆和电路的故障等等，并可实现自动报警和高可靠性的信息传递功能。由于电容传感器结构简单，灵敏度高，过载能力强，因此是一种用途广泛，很具发展潜力的传感器。

四、 电容式物位传感器的测量电路

（1）脉冲宽度调制电路。这种电路的频率输出为数字信号的输出，不需要模数转换；灵敏度比较高；输出能消除温度和电缆电容的影响。但其输出非线性大，需误差补偿。

（2）变压器交流电桥电路 。这种电路灵敏度和稳定性较高，比较适合做精密电容的测量；但电桥输出电压幅值比较小，输出的阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作，而且电路不具备自动平衡措施，构成较复杂。这种电路没有消除杂散电容的影响，因此要采取屏蔽等措施，但效果不一定理想。

五、电容传感器的应用——非导电介质的液位测量

此电路，采用了自动电桥平衡电路。

①当油箱中没有油时，电容传感器的电容量为Cx =Cx 0，调节可调电容C0，使C0=Cx 0。由于R4=R3，并使电位器RP的滑动臂位于0点，即可调电阻RP的阻值为0。此时，电桥满足Cx /C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出U0=0，电动机不转动，油量表指针偏转角θ为零。如图4（因篇幅所限，图略。）

②当往油箱中注油时，液位上升为Cx=Cx0+？驻Cx，而？驻Cx与液位h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动电动机，电动机正转，带动指针顺时针偏转，同时带动可调电阻RP的滑动臂向c点移动，从而使RP阻值增大，d、c两点的电阻也随之增大。当可调电阻RP阻值达到一定值时，电桥又处于平衡状态，输出电压Uo=0。于是电动机停转，指针则停在转角为θm处。

③由于油表的指针及可变电阻RP的滑动臂同时被电动机带动，所以，θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又与液位高度h成正比，因此可直接读得液位高度h。

④当油位下降时，电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动可调电阻RP的滑动臂向0点移动，RP阻值减小。当RP阻值达到一定值时，电桥达到平衡状态，输出电压Uo为零。于是电动机停转，指针停留在与液位高度相对应的转角θ处。

⑤从以上分析得到涉及“闭环控制”的结论：放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。

总之，在教学过程中，教师要让学生了解电容传感器的工作原理和对非导电液体液位的测量，提高学生综合应用能力。

参考文献：

[1]梁森.自动检测与转换技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]周敏.电子技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电

子科技大学出版社，2002.

（广东省梅州农业学校）