自制平板式电容传感器应用于水位测量实验

Mar.2009自制平板式电容传感器应用于水位测量实验

努尔买买提󰀁阿布都拉,刘󰀁兵

(大学电气工程学院,󰀁乌鲁木齐󰀁830008)

摘󰀁要:本文介绍了电容法测量水箱水位的方法,用自制的平板式电容传感器进行水位测量实验,根据极板之间介质量的变化引起电容量随之发生变化,设计了相应的测量电路,得出传感器电容值、转换频率、输出电压等多种参量的变化规律和相关实验数据。关键词:水位检测;电容传感器;测量电路󰀁󰀁在工业生产过程中,经常需要对物体的位置进行检测与控制,其中电容传感器的应用占有十分重要的地位,它有温度稳定性好,结构简单,适应性强,动态响应快,并能实现非接触式测量等特点。学生通过传感器应用的综合性实验,不仅能学到电工电子技术和检测与转换技术方面的知识,还能进一步激发学生的创新精神和实验研究热情,接触工业控制前沿信息,培养学生的实践综合与研究能力。

󰀁󰀁由式(1-1)可见,在S,d,󰀁三个参量中,只要保持其中两个不变,其中的一个均可使电容Cx的变化。在实际测量中,将两个金属片放入需要测量水位的水箱中,其中两个金属片作为电极且表面采用油漆绝缘,若水箱内介质的介电常数为󰀁1,介质上面的气体的介电常数为󰀁2,电极总长度为L0,水的高度为L,当水位发生变化时,两个板间的总电容量为两个电容并联。由式(1-1)可得:

󰀁󰀁C=C1+C2=󰀁0b0

󰀁r1(L0-L)+󰀁r2L

d0

(1-2)

1󰀁电容传感器原理与结构

当L=0时,传感器的初始电容量为:󰀁󰀁󰀁C0=

󰀁0b0L0d0

(1-3)

当被测电介质进入极板间L深度后,引起电容相对变化量为:

󰀁󰀁󰀁

图1󰀁平板式电容传感器结构示意图

r2-1)L󰀁CC-C0(󰀁

==C0C0L0

(1-4)

自行研制的平板电容器结构示意图如图1所示。传感器由两个金属极板和介于其间的电介质所组成,设每极板面积S(m),两极板内表面之间相距为d(m),电容器介质的介电常数为󰀁(F/m)时,电容器的电容量是构成电容器的两个极片形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。其电容量Cx(F)为:

󰀁󰀁󰀁Cx=

󰀁Sd

(1-1)

2

由式(1-4)可见,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系。

2󰀁测量电路

测量电路由变换振荡器电路、频压变换电路和放大电路等三个部分组成。实验线路图如图2所示。其中变换振荡器将实现电容量变换成频率的功能;频压变换电路能将频率信号转换为直流电压信号;放大电路将实现信号调零和放大功能。

󰀁作者简介:努尔买买提󰀁阿布都拉(1970-),男,高级实验师,主要从事信号检测与转换实验教学工作。

󰀁收稿日期:2008-10-07

󰀁󰀁第1期

󰀁󰀁󰀁󰀁

努尔买买提󰀁阿布都拉,等:自制平板式电容传感器应用于水位测量实验󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁33

图2󰀁液位检测电路原理图

2.1󰀁变换振荡器电路

变换振荡器电路由555定时器芯片IC1,定时电阻RA、RB,定时电容C等几个元件组成。定时电容C(C1和CX)在充电、放电过程中,其电压在Vcc/3~2Vcc/3之间,因此振荡器输出频率为:

11.443󰀁󰀁󰀁f==

T(Ra+2Rb)C

(2-1)

2.3󰀁放大电路

放大器由集成运放芯片IC4和R5、R6、R7、R8、RW等几个元件组成反相加法器电路。由于频压变换电路输出的电压信号较弱并跟水位变化成反比,因此实验线路中采用反相求和电路,调整可调电阻RW的大小,能实现当水位最低时,检测电路输出为零。

CXC1

其中C=

CX+C1

由式(2-1)可见,变换振荡器输出频率会随着电容传感器电容量CX的变化而变化。

3󰀁实验数据与分析

在水箱中放入自制的电容传感器,通过实验即可测得水位L和对应电容量CX,频率f,输出电压V01、V02的关系数据。表1所示为水位测量的一组实验数据。

2.2󰀁频压变换电路对表1数据描点绘出图3所示的各种参量之间的变化

频压变换电路由555定时器芯片IC2和R1、R2、趋势图。R3、R4、C3、C4、C5、C6等几个元件组成的单稳定时电表1󰀁水位测量实验数据路,暂态时间T=1.1R2C4,当变换振荡器输出频率发生液位高度L(cm)2.04.06.08.010.012.014.016.018.020.0变化时,频压变换电路输出波形的占空比会发生变化,Cx(pF)398465533610672732786849910973其直流成分将随频率变高而增加并经过滤波电路R3、f(kHz)25.4321.3618.16.2114.13.4612.5911.8610.7810.12R4、C6后变成直流,再由电压跟随器IC3进行隔离输出。

V01(V)V02(V)

3.220.07

2.941.17

2.682.17

2.393.30

2.104.42

1.835.47

1.556.59

1.277.68

0.988.79

0.719.85

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图3󰀁水位与各种变化量之间的关系特性

(下转第页)

󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁

高󰀁校󰀁实󰀁验󰀁室󰀁工󰀁作󰀁研󰀁究

馈等。

(4)注重学生的能力培养

󰀁󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁总第99期

络课程实践开发的核心。网络课程的设计既要考虑到教材的教学内容和教学目标层次,还要考虑到网络的特性,如何实现网络技术和教学设计的有机结合。

(2)注意充分发挥网络课程的特点

网络课程的开发必须突出网络的特点,挖掘网络目前,有的网络课程以查询课程内容为主,实质上是传统教材的翻版;有的网络课程增设了课件库和资源库,虽可以实现在线点播,但仍未充分发挥网络的优势及其特殊的教学效果,实质上是传统课堂搬家。在进行网络课程的设计时要充分利用网上丰富的资源,要将相关资源的超文本链接提供给学生,以方便学生学习查找。

(3)注意网络课程内容的不断更新

网络课程是一个开放模式的教学活动,它最大的特点就是内容可以及时更新,在学习过程中发现错误时可以及时加以更正。所以,当课程的整个框架完成后,维护更新工作是十分重要的。包括内容的及时更新、学生信息的统计分析、学习过程中问题的及时反(上接第33页)

󰀁󰀁由以上实验数据和特性曲线可以看出,当水位发生变化时,传感器电容值和各单元电路输出量也发生相对应的变化,实验结果与理论分析一致,说明制作的传感器结构与测量电路的设计基本合理。

网络课程的内容既要体现出本门课程的特点和内在联系,还要考虑到学生的特点以及兴趣和需要。学生是学习的主体。通过网络课程的学习,学生除了要能力。学生通过自主选择学习内容、参与讨论、自测等,在主动获取知识同时培养了发现问题、分析问题、解决问题的能力。使他们最终达到创造性学习的目的。󰀁参考文献

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的教学功能,充分发挥网络的交互功能和协作功能。掌握基础知识和基本技能外,还必须培养他们的创新

程的实践教学中,学生能直接接触各种非电量的检测与转换的全过程,将学到的理论知识灵活地运用到实践中并能提高教学效果。󰀁参考文献

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4󰀁结󰀁语

通过对水位测量实验表明,自制的平板式电容传感器进行水位测量具有精度高、结构简单、非接触测量、适应性强等优点。因此,在学校用于检测与转换课(上接第49页)

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5󰀁结󰀁语

仪器设备的网络信息管理是构建数字化校园的主要组成部分。本系统在南京大学大型仪器设备管理工作中经过多年的运行中,根据实际需要不断修改完善,实现了为科学、高效实施大型仪器设备的现代化管理提供网络平台的设计思路,对提高高等院校仪器设备的管理工作具有很大的帮助作用。󰀁参考文献

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