劉遠(yuǎn)社

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

基于555時基電路的電容式傳感器測量電路

劉遠(yuǎn)社

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

由電容傳感器和555時基電路構(gòu)成多諧振蕩器，將電容轉(zhuǎn)化為頻率，使電容的極距與頻率成正比，再通過F/V轉(zhuǎn)換器將頻率轉(zhuǎn)換為電壓，由減法器輸出與極板位移相應(yīng)的電壓，最后由顯示器給出被測的位移量.通過實驗對比，取得了滿意的效果，在2mm范圍內(nèi)測量非線性誤差小于1.2%，能較好地滿足實際測量要求.

電容傳感器，測量電路，時基電路，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換器

1 引言

電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，可以進(jìn)行非接觸測量，廣泛用于位移、厚度、壓力、液位等方面的測量[1-5].但由于電容式傳感器電容量小、阻抗高，輸出信號微弱，易于受環(huán)境影響，所以對電容式傳感器的轉(zhuǎn)換測量電路的研究一直受到人們的關(guān)注.從參量轉(zhuǎn)換方法上講，可將電容轉(zhuǎn)換為電壓、電荷、時間或頻率等信號進(jìn)行傳輸測量.從電容傳感器結(jié)構(gòu)上看，有適合差動式結(jié)構(gòu)的二極管雙T型電路、差動脈沖調(diào)寬電路和交流電橋電路[6-7]；有適合單電容式傳感器的運(yùn)算放大器電路、調(diào)頻電路和諧振電路[8].一般的差動電容傳感器不論從傳感器本身性能上還是從轉(zhuǎn)換測量電路方面都優(yōu)于單電容傳感器，但在一些位移、厚度等應(yīng)用場合無法采用差動電容式傳感器進(jìn)行測量.而適合單電容式傳感器的運(yùn)算放大器電路需要調(diào)制解調(diào)，且對交流電源電壓的穩(wěn)定性要求較高[9]；調(diào)頻電路和諧振電路雖然靈敏度高，但測量精度較低[10]，非線性比較嚴(yán)重.基于555時基電路的電容式傳感器測量電路，不需要調(diào)制與解調(diào)，且有較好的線性和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以使單電容式傳感器在非電量電測及自動化控制方面發(fā)揮更好的作用.

2 原理

電容式傳感器是一個具有可變參數(shù)的電容器，它將被測非電量轉(zhuǎn)換成為電容的變化，測量電路再將電容的變化轉(zhuǎn)化成易于觀測的電參量.多數(shù)情況下，電容傳感器是以空氣為介質(zhì)的兩個平行金屬極板組成的可變電容器，特殊情況也可以是同心圓筒形.從結(jié)構(gòu)參數(shù)變化分類，電容傳感器有改變極板面積的變面積型、改變極板間距的變極距型和改變極板間介質(zhì)的變介質(zhì)型.廠家生產(chǎn)的成品變極距型電容傳感器一般都為差動式，目的是為了降低電容傳感器本身非線性誤差.但在實際應(yīng)用中，由于工作條件的限制，通常都是利用被測對象作為電容傳感器的極板，這樣就只能構(gòu)成單電容式傳感器.

對于單電容式傳感器，將傳感器電容Cx接入555時基電路構(gòu)成一個多諧振蕩器，電路連接如圖1所示.

圖1 多諧振蕩器電路Fig.1 Multivibrator circuit

合理選擇電阻R1和R2，還可以得到相應(yīng)占空比的脈沖輸出.

對于平板變極距型電容位移傳感器

電路的振蕩頻率為[11]

其中δ0為傳感器兩極板間的初始距離，Δδ為間距變化量(位移)，S為極板面積，ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，εr為相對介電常數(shù)，空氣的相對介電常數(shù)εr≈1，真空時ε＝ε0＝8.85(10-12F/m.將其代入(1)式得

由(3)式和(5)式可見，輸出信號的頻率f與被測量(位移(或厚度d)成線性關(guān)系，因此解決了單電容傳感器非線性的問題.其中f0是與被測量無關(guān)的常數(shù)，可通過后繼的減法電路將其減掉，如果再合理地選擇參數(shù)，使Kf＝10n，那么輸出信號的頻率大小就是被測量的值.

3 測量電路

測量電路由多諧振蕩器、f/V轉(zhuǎn)換電路[13]、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)值顯示器組成.組成框圖如圖2，多諧振蕩器產(chǎn)生正比于被測量的矩形脈沖信號，經(jīng)f/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為與被測量對應(yīng)的電壓，通過減法器減去與初始間距δ0對應(yīng)的電壓，得到與被測位移或厚度相應(yīng)的電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，最后由LED顯示器將被測量顯示出來.

圖2 電容式傳感器測量電路框圖Fig.2 Block diagram of capacitive sensormeasuring circuit

在多諧振蕩器電路中，根據(jù)傳感器的極板面積S和介質(zhì)的介電常數(shù)ε，選擇適當(dāng)?shù)腞1和R2值，使Kf＝10kHz/mm.555時基電路的最高工作頻率可達(dá)500kHz[14]，對于微小位移或者紙張厚度等完全可以滿足測量要求.

f/V轉(zhuǎn)換器由AD650構(gòu)成，如圖3所示.f/V轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為

對于AD650，a＝1mA，內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路的定時時間由Cos決定[15]，大小為

為了使單穩(wěn)態(tài)電路在一個輸入脈沖周期內(nèi)不會被多次觸發(fā)，應(yīng)使tos＜1/fIN.若Cos＝620pF，則R3+R4＝22.1kΩ，可取R3＝20kΩ，R4＝5.1kΩ.這樣，對于0～100kHz的脈沖輸入對應(yīng)輸出電壓為0～10V.

圖3 f/V轉(zhuǎn)換器電路Fig.3 f/V convertor circuit

由雙運(yùn)放LM747構(gòu)成的減法電路如圖4所示，如果R5＝R8，R6＝R7，則輸出電壓為

圖4 減法器電路Fig.4 Subtracter circuit

對于平板變極距型電容位移傳感器，f/V轉(zhuǎn)換器的輸出信號由Vi1端輸入，調(diào)節(jié)RP使Vi2電壓等于初始頻率為f0的電壓，如果選擇R5/R6＝9，則輸出電壓就反映被測位移的大小.

對于平板變介質(zhì)型電容厚度傳感器，只需將由可調(diào)電位器組成的參考電壓端接Vi1端，f/V轉(zhuǎn)換器的輸出信號直接接Vi2輸入端即可.減法器的輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器ICL7106，由LED顯示器顯示出被測量的值.

4 結(jié)論

基于555時基電路的電容傳感器測量電路可以實時動態(tài)的測量微小位移或非金屬介質(zhì)薄膜的厚度，克服了電容傳感器LC調(diào)頻測量電路和諧振電路的非線性.經(jīng)實驗對比驗證有良好的可靠性與可行性，在2mm范圍內(nèi)非線性誤差小于1.2%.對于變面積型電容位移傳感器和變介質(zhì)型電容液位傳感器，由于輸出脈沖頻率與被測量成倒數(shù)關(guān)系，不能直接應(yīng)用.但輸出脈沖周期與被測量成線性關(guān)系，可將555輸出的脈沖信號通過計數(shù)測周的方法進(jìn)行處理，也能得到較好的測量精度[16].基于555時基電路的電容傳感器測量電路同樣具有重要的參考價值以及較好的應(yīng)用前景.

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(責(zé)任編輯:張陽，付強(qiáng)，李建忠，羅敏；英文編輯:周序林)

Capacitive sensor measuring circuit based on the 555 tim er

LIU Yuan-she

(School of Electrical and Information Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

Capacitive sensormeasuring circuitmade up of the 555 timer is introduced.The circuit is amultivibrator of converting capacity into frequency，being in direct proportion to the distance between plats of capacitor.The frequency is converted into voltage by F/V convertor.The voltage is corresponding with displacement of the plat，by the subtracter output，by LED display.The circuit design achieves good results.In 2mm measurement range，the nonlinear error is notmore than 1.2%，thus able to satisfy requirement in factualmeasurement.

capacitive sensor；measuring circuit；time base circuit；F/V convertor

TP212

A

2095-4271(2015)03-0338-03

10.11920/xnmdzk.2015.03.013

2014-12-21

劉遠(yuǎn)社(1963-)，男，漢族，陜西楊凌人，副教授，E-mail:ysliu419＠sohu.com.