电容式液位传感器解析

1、第三章电容式传感器，电容传感器是将测量转换为电能变化的一种传感器。具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性好、抗过载、价格低等优点。因此，可用于测量压力、力、位移、振动、液面等参数。但是电容传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也在应用上有局限性。随着电子技术的发展，特别是集成电路的广泛使用，这些缺点也在一定程度上克服了，并在一个步骤中促进了电容传感器的广泛应用。3.1电容传感器的基本原理和性能特性，电容传感器的基本工作原理可以用图3.1.1所示的液晶电容器来说明。复盖两个板的有效区域为A(m2)，两个板之间的距离为d(m)，板之间介质的介电常数为(FM-1)，如果忽略板极边缘的影响，则平面电容

2、器的电容为C(F)，为C=A/d(3-1-1-1)保持两个参数相同，变更其他参数会变更电气容量。如果变更的参数与正在测量的参数之间存在函数关系，则测量的变更可以直接由电量的变更反映出来。所以电容式传感器可以分为改变面板面积的可变面积等三种类型。改变板距的可变间隙；改变介电常数的可变介电常数。3.1.1可变区域电容传感器，图3.1.2是直线位移电容传感器的示意图。如果晶体管移动x，则复盖范围将发生变化，电气容量将发生变化。该值可以直观地增大b (a- x)/d=c0-b x/d (3-1-2)电容位移引起的变化量的灵敏度，也可以减小d，从而提高传感器的灵敏度。图3.1.3是这些传感器的几种派生形

3、式。图3.1.3a是各位移电容传感器。变径值为、(3-1-3)、(图3.1.3b)的齿轮使用齿板改变两个平板之间的复盖范围，以增加复盖区域和提高灵敏度。如果齿板板的齿数为n，移动x，则电容量由(3-1-4)以前的分析确定灵敏度，并且可变面积容量传感器的灵敏度是常数，即输出和输入是线性关系。3.1.2可变间隔电容传感器，图3.1.4是可变间隔电容传感器的结构图。图1是固定面板，2是连接到正在测量的对象的活动面板。由于正在测量的参数的更改，活动平板移动时，两平板之间的距离d发生了变化，两平板之间的电容c发生了变化。如果将“板区域”设置为a，将“静态电气容量”设置为x，则相应的电气容量可按标准(3-

4、1-5)查看，x d (3-1-6)可按标准(3-5)查看，而基准(3-5)的电气容量也可以看出，要提高灵敏度，就必须减少开始间隔d超时时间。但是d时间过后，容易出现故障现象，加工精度要求高。为此，一般在极板之间放置云母、塑料薄膜等遗传常数高的物质，对其进行改善。在实际应用中，为了提高灵敏度和降低非线性，可以使用差分结构。3.1.3可变介电率电容器，如果电容传感器的介电体发生变化，则介电常数发生变化，从而改变电容。这些传感器的结构有多种。图3.1.5是介质区域发生变化的容量传感器。该传感器可用于测量水平或水平，也可用于测量位移。如图所示，此时传感器的电量；其中：无2介质板之间的电量为：2介质插

5、入两个极之间时，(3-1-7)，表达式(3-7)表示功率容量c和位移x是线性关系。、3.2电容式传感器常用的测量电路很多，常用电路包括：普通交流桥、紧耦合电感臂桥、变压器桥、双t桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路等。这里主要介绍后四种电路。图3.2.1所示的3.2.1双t桥电路。图C1，C2是差动电容传感器的电容，如果单个电容工作，则其中一个是固定电容，另一个是传感器电容。RL是负载电阻，V1、V2是理想的二极管，R1、R2是固定电阻。电路的工作方式如下：电源电压u为0.5周，V1传导，V2关闭，C1充电；电源负值半满时，V1关闭，V2导轨工作时，电容器C2充电，电容C1放电。

6、电容C1的放电电路一次通过R1、RL、R1、R2、V2，通过RL的电流为i1。下一个正弦周，V1导槽，V2截止，C1重新充电，C2放电。放电电路通过RL，R2，然后通过V1，R1，R2，则通过RL的电流为I2。如果选择具有R1=R2、C1=C2等特性的二极管，则通过RL的电流i1和I2的平均大小相同，但在相反方向的一个周期内通过负载电阻RL的平均电流为零，并且对RL没有电压输出。如果C1或C2发生变更，则负载电阻RL产生的平均电流不为零，因此具有信号输出。输出电压值为(3-2-1)，R1=R2=R，RL已知时，此常数可以记录为(3-1-1)，(3-2-2)双t桥电路为I .信号源，负载二.二极

7、管V1和V2在电压电流特性的线性段中工作。三.输出电压高。四。电路的灵敏度与电源频率相关，因此电源频率必须稳定。v .可以用作动态测量。3.2.2运算放大器测量电路，电路的电路图见图3.2.2。电容传感器在高增益运算放大器的输入和输出端之间跳接。运算放大器的输入阻抗高，因此如果输出电压是自下而上的(3-2-3)式，运算放大器输出电压可以认为u0是理想的运算放大器。信号源电压Cx是传感器容量。C0是固定电容器。在类型(3-2-3)中，可以看到输出电压u0与直接薄板机械位移d呈线性关系。3.2.3脉冲调制电路，图3.2.3显示了差分脉宽调制电路。该电路根据差动电容式传感器容量C1和C2的大小控制直

8、流电压的通过，结果方波与C1和C2具有一定的函数关系。线路的输出是双稳态触发器的两个输出。如果双稳态触发器的q端输出水平高，则通过R1充电C1。比较器N1反转双稳态触发器，产生q端(a)为低电平，q端(b)为高电平的脉冲，直到m点的电位等于基准电压Ur。二极管V1传导，C1放电为0，q端通过R2充电为C2。当n点电位等于基准电压Ur时，比较器N2生成双稳定触发器再次翻转的脉冲。此时q端高电平，C1处于充电状态，二极管V2传导，电容器C2放电为0。上述过程反复在双稳态触发器的两个输出中产生由C1，C2调制的宽度的脉冲方波。图3.2.4是回路中每个点的波形。如图3.2.4所示，当C1=C2时，两个

9、电容充电时间常数相同，两个输出脉冲宽度相同输出电压的平均值为0。差动电容传感器工作时(C1C2)，两个电容的充电时间常数发生变化，T1与C1成正比，T2与C2成正比。此时输出电压的平均值不是0。如果输出电压为(3-2-4)，则电阻R1=R2=R，则显示存在(3-2-5)，并且输出电压和电容变为线性关系。，3.2.4 FM电路。该测量电路是将电容传感器与电感元件结合成振荡器谐振电路。电容传感器工作时，电容发生变化，振荡频率相应变化。频率变化再次通过监控电路转换为振幅变化，放大放大器显示。这称为FM方法。图3.2.5是调频监控电路的结构图。调频振荡器的振荡频率在向下确定式中l是振荡回路电感。c是振

10、荡电路的总电容。振荡电路的总电容通常包括传感器C0C、谐振电路的固定电容C1和传感器电缆分布电容器CC。以可变间隙电容器为例，如果没有正在测试的信号，则选择d0，此时C=C1 C0 CC，因此振荡器的频率应为(3-2-6)，F0通常应选择在此MHz以上。如果检测工作时d0，则C0，振动频率也相应地改变f(3-2-7)，则振荡器输出的高频电压生产是测试信号调制的调制波，其频率由表达式(3-2-7)确定，采用3 . 2 . 5 . 5电容传感器寄生电容的消除方法，采用3.2.5.1初始电容值增大初始电容值增大方法，寄生电容可以降低相对电容传感器的电容。板间距为0.2mm，圆柱间距为0.15mm，可

11、以减少极间或极间的间距，例如通过增加工作区域或工作长度增加原始电容值，但是此方法受加工和装配过程、精度、显示范围、屈服电压等的限制，典型容量变化值在10-3-103 pf之间。3.2.5.2集成方法将传感器和电子线路的前级安装在外壳上，通过前电缆分离传感器，大大减少寄生电容，固定固定固定，稳定仪器运行。但是，由于电子元件的存在，这种方式不能在高温或环境恶劣的场所使用。还可以将传感器和调理电路集成到同一个芯片上，配置集成容量传感器。3.2.5.3使用“驱动器电缆”技术(如图3.2.6所示)，在电容传感器和放大器之间使用双屏蔽电缆，并访问增益为1的驱动器放大器。该连接消除了内部屏蔽和核心线等电位、

12、核心内部屏蔽的容量泄漏，克服了寄生电容的影响，内部和外部之间的电容变为驱动放大器的负载，因此驱动放大器是输入阻抗高、容量扩展为1的同相放大器。此方法的困难在于，在宽频带中，放大倍数为1，输入输出的相位移动为0。3.2.5.4运算放大器驱动法使用驱动电缆方法消除寄生电容(如图3.2.7所示)，使放大倍数等于1，输入输出的相位移动等于0是设计的难点。使用运算放大器驱动方法可以有效地解决这个问题。图(-Aa)是用于驱动电缆放大器的输入，因为(-A)放大器的输入电容器是(-A)放大器的负载，所以附加电容和CX并行，传感器电容CX的两端电压为：- ucx=u01-u02=u01-(-放大器(-Aa)的输

13、出电压为-U03=-AAU 02=AAA u01(2)；2)；-实现电缆芯和内部屏蔽等电位-ucx=u03；U01=可以获得aa u01。Aa=1 (1/a) (3)-运算放大器驱动器没有附加电容，特别适用于传感器电容器较小的检测电路。图3.2.7以运算放大器驱动消除寄生电容原理图、3.2.5.5整体屏蔽方法差动电容传感器为例，说明了整体屏蔽方法。如图3.2.8所示，CXI、CX2为差动电容器，u为电源，a为放大器。整体屏蔽法是将包括电力电缆等在内的整个桥梁一起屏蔽，设计的关键在于接地点的合理设置。与整体屏蔽一起，在两个平衡电阻R1和R2之间使用接地点。这样，传感器可以将板与屏蔽之间的寄生容量

14、C1与测量放大器的输入阻抗并行使用，从而将C1视为放大器的输入电容器。放大器的输入阻抗必须有很大的值，所以C1的并行度也不想存在，但只是影响灵敏度。其他两种寄生电容C3，C4在桥臂R1，R2中并行影响桥的初始平衡和整体灵敏度，不影响桥的正常运行。因此，寄生参数对传感器电容的影响基本消除。图3.2.8整体屏蔽消除寄生电容原理图，3.3电容传感器应用，3.3.1级测控应用，3 . 3 . 1 . 1 . 1 LP-5000系列电容水平变送器石油，化学，电力，食品，水处理，冶金，水泥等生产工艺的许多级，以及仅适用于普通液体、固体颗粒容器、槽、料仓或料斗的远距离连续水平测量。本产品还具有承受恶劣使用环

15、境、高可靠性等的能力，可用于其他材料、液位计工作困难的高压、真空、高温、低温、强腐蚀流体体、强振动等环境的水平、水平测量。1)型号说明传感器类型AJ - PTFE绝缘传感器；AL -曝光条传感器；BJ - PTFE绝缘同轴接地管传感器；BL -曝光同轴接地管传感器；CJ - PTFE绝缘电缆传感器；CL -外露电缆传感器；DJ - PTFE绝缘h杆传感器；DL -外露h型条形传感器。防爆类型：p-普通；I-安全类型。适用压力：N -大气压力；C-高压。测量范围：* * *以毫米表示的特定阿拉伯数字。适用的介质温度：L -低温；T-室温；H-高温。与容器的连接安装表格：27 - M272螺纹连接；33 - M332线程连接；65 - DN65凸缘连接。没有附件(自定义):没有标题；M1 -包括现场指示；M3 - 3 1/2LCD表。AL-I-100-L-27表示适用于不带接头的M27螺纹联接的低温介质的100mm安全曝光条容量级传感器。2)特性I .与材料密度无关。适用于各种导电、非导电液体、固体粒子的连续水平测量。二.可以在高压、真空、高温、低温、强震动和强腐蚀性液体等恶劣