電容傳感器原理應(yīng)用分析

　　已知的電容傳感器很少將極板置于同一平面，如圖1。若被測(cè)物為絕緣體，此種并聯(lián)多極板單一平面放置的，電容敏感元件之微小面積增量(ΔF=LΔx)上生成的電容值，按圖中所示的電力線，用近似半圓弧形線代替(也可用近似橢圓形線代替)，近似有：
　　
　　式中K為實(shí)際情況對(duì)上述假設(shè)情況的一個(gè)修正，同時(shí)包含極板的并聯(lián)對(duì)數(shù)(圖中為三對(duì))。由此可知：被測(cè)物的組成成分變化能引起總介電常數(shù)ε的變化，輸出電容值Cx亦隨之變化，間接測(cè)定物料某特定成分；若被測(cè)物是介于導(dǎo)體與絕緣體之間，Cx還要并聯(lián)C+Rx(圖2b)。其中C>>Cx是極板絕緣薄膜(如漆)兩邊面積之間的電容值，Rx為被測(cè)物在傳感器極板之間的電阻：Rx=1/Sx，在此Sx是極板間電導(dǎo)，微小極板面積增量(ΔF=LΔx)上的電導(dǎo)ΔSx＝Δ(1/Rx)，亦可近似表為：
　　
　　式中U（s）和I（s）為拉氏運(yùn)算子電壓與電流；Zx（s）為拉式運(yùn)算子總阻抗；1/SC為運(yùn)算子容抗，引入運(yùn)算子阻抗Z，容抗1/SC與感抗SL之后，電路的微分方程變?yōu)榇鷶?shù)方程，電路的分析類似于直流電路；只當(dāng)電信號(hào)為穩(wěn)定的正弦波(或余弦波)時(shí)，式中的S=jω為虛數(shù)，感抗與容抗才變?yōu)閖ωL與1/jωC；電壓與電流才變?yōu)榻涣饔行щ妷号c有效電流，它類似于富里埃變換，所以圖2b敏感輸出可表示為電容性運(yùn)算子阻抗Zx：
　　
　　若被測(cè)物為良導(dǎo)體，Zx便為Cx1與Cx2串聯(lián)值（圖2c）。Cx1為傳感器的左邊極板與被測(cè)物間的絕緣漆與空氣隙為中間介質(zhì)的電容量；Cx2為右邊的電容量。Cx1與Cx2隨極板與被測(cè)物之間的耦合面積及空氣隙的大小而變化。由上可知：Zx隨被測(cè)物εx、Sx、微小空氣隙δx、耦合面積Fx等變化而變化。若被測(cè)物厚度＜20～25mm，還與厚度有關(guān)。
　　圖3a的Zx／fx變換輸出：
　　
　　圖4為8031單片機(jī)對(duì)變電容傳感器的檢出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與數(shù)字顯示電路。傳感器的脈沖頻率信號(hào)(fx)無須A/D電路而直接送往8031的INTO與T0，由軟件完成頻率數(shù)字變換(fx/Dx)：8031的中斷允許寄存器(IE)的D位，為INTO中斷允許位置EXO“1”(容許中斷)；IE的D1為T0允許中斷位ET0置“1”(允許中斷)；定時(shí)/計(jì)數(shù)控制寄存器TCON的D0位，為INTO的控制位IT0置“1”(邊沿觸發(fā))，使INTO接收fx的脈沖下降沿時(shí)觸發(fā)申請(qǐng)中斷，中斷服務(wù)程序?yàn)檐浖?jì)數(shù)，同時(shí)將TCON的D４＝TRO(為T0運(yùn)行控制位)置“1”(啟動(dòng)T0計(jì)數(shù))，使T0接收同一個(gè)輸入脈沖下降沿時(shí)對(duì)輸入脈沖fx計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到規(guī)定的數(shù)值后產(chǎn)生溢出中斷，由溢出中斷來停止上述軟件計(jì)數(shù)。從啟動(dòng)計(jì)數(shù)到停止計(jì)數(shù)所需時(shí)間Δt，為測(cè)量信號(hào)fx周期的（n－1）倍，n為T0計(jì)數(shù)值，由此可算出頻數(shù)傳換（fx/D）輸出，這種不直接測(cè)定頻率的方法，可快速高分辨率的完成（fx/D）轉(zhuǎn)換，因Δt可隨意選用均勻脈沖細(xì)分，使軟件處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換可達(dá)8bit～32bit。
　　這種傳感器可廣泛應(yīng)用于物體計(jì)數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)視及安全檢測(cè)等。
　　平面電極放在金屬罐頭側(cè)邊，可對(duì)罐頭計(jì)數(shù)；放在罐頭上方，可檢驗(yàn)罐頭是否變質(zhì)：因殺菌不徹底而發(fā)酵變質(zhì)生成的氣體，將罐頭端平面突起，減小電容極板與導(dǎo)電金屬（罐頭端平面）之間的間距（δ），使Cx增大，從而檢出不合格品。但實(shí)際