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作者：羅馬尼亞Cluj-Napoca技術(shù)大學(xué)Vlad Bande與Ioan Ciascai 最近有個(gè)研究項(xiàng)目要用一只電容傳感器測量水位，用了兩塊PCB(印刷電路板)板，一塊置于另一塊的前方，兩者間相距一段受控的距離。每塊板再劃分為八個(gè)相等的銅箔區(qū)，從而得到了八個(gè)等值的平行板電容(圖1)。每個(gè)電容的板面積為25cm2。為了測量總水位高度，項(xiàng)目使用一個(gè)特殊的隔水層，以避免短路。知道了層的厚度以及隔水物質(zhì)的電容率，就可以表示出兩塊板之間的距離，以及介電質(zhì)的電容率。 
只有當(dāng)電容率改變時(shí)，每兩塊覆蓋銅箔區(qū)的電容才會變化，這是因?yàn)樗衅渌鼌?shù)都是常量，如板的面積以及板間距離，如下式所示：CX=(ε0εRA)/D，其中，ε0=(8.854×1012)F/m，εR是電介質(zhì)的相對電容率，D是總電介質(zhì)厚度，CX是所測電容值，A是每塊板的表面積。相對電容率嚴(yán)格地依賴于兩塊電容板之間材料的類型以及數(shù)量，本應(yīng)用采用了四種εR：空氣、空氣-隔水涂料、水-隔水涂料，以及空氣-水-隔水涂料。此時(shí)，必須考慮空氣與水之間表面分隔線的電容量。 為測量電容從而測得水位，測量系統(tǒng)使用了一只20MHz的ATTiny2313微控制器，以及一只快速的LT1016模擬比較器(圖2)。測量算法使用了微控制器的OC1A和OC1B輸出比較器信號。ATTiny2313同時(shí)將兩個(gè)管腳設(shè)為相反的值。當(dāng)OC1A為5V時(shí)，可以使用匯編語言碼同時(shí)設(shè)定OC1B。當(dāng)OC1B為5V時(shí)情況相同；于是OC1A為0V。對第一種情況，第一塊板上的電荷量上升，而另一塊上的電荷量下降。反轉(zhuǎn)極性會使第二塊板獲得更多電荷，其電勢上升。當(dāng)兩塊板有相同電勢時(shí)，LT1016比較器使能微控制器的ICP腳，保存內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)字，并通過串行端口發(fā)送出去，供進(jìn)一步處理。當(dāng)兩塊板上的電壓相等時(shí)，電容上的電壓是輸入信號幅度的一半，VCC/2。
OC1A和OC1B的脈沖寬度都必須大于最大電容充電時(shí)間，它可以在測量水的介電電容時(shí)，用下式得到：PW≥10×Re×CMAX。圖3給出了波形。
瞬變區(qū)的充電方程為：
然后可以用下式獲得電容值：
或：CX=0.036067376×N1pF 可以獲得圖1中電容傳感器左右兩端的電平，從而得到兩個(gè)方程，但結(jié)果相同。算法包括先測量所有電容(全浸入、部分浸入，以及未浸入)，然后用未知H變量表示面分隔線處C7和C3的電容板表面積。然后從與兩只電容有關(guān)的下式，獲得未知水位值：
從電容測量過程的角度，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了一種懸浮測量方法，它包含了兩套類似的平行電容板。這種方法能在測量期間將對系統(tǒng)地的寄生電容減少一半。 |
