２０１１焦仪表技术与传感器
２０“第３期
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ａｎｄ
Ｓｅｎｓｏｒ
Ｎｏ．３
新型栅状电容式液位传感器原理及应用
高超，王俊雄
（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海２０００３０）
摘要：针对传统电容式液位传感器在不改变体积的条件下只能通过减小电极间距采提高灵敏度的不足，设计了新型栅状电容式液位传感器。它采用栅状电极代替圆柱状电极，扩大了电极间空间，使被测介质的流动更为顺利并且提高了传感器的灵敏度，降低了工艺要求。给出了该传感器的实验数据，得到了比较满意的结果。关键词：栅状电容；电容式液位测量；电容式传感器中图分类号：ＴＨ８１６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０３—０００９—０２
ＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＮｅｗＰａｌｉｓａｄｅＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＬｅｖｅｌＳｅｎｓｏｒ
ＧＡＯ
Ｃｈａｏ，ＷＡＮＧＪｕｎ．ｘｉｏｎｇ
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ｏｆＮａｖＭＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＯｃｅａｎ＆Ｃｉｖｉｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｎｇｎｅｄｔｈｅｎｅｗ
ｐａｌｉｓａｄｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ．ｉｎｏｒｄｅｒｔｏ
ｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｏｒｄｉｎａｒｙｃａｐａｃ—
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ｓｅｎｓｏｒ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｌｉｓａｄｅｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｌｅｖｅｌ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ
ｓｅｎｓｏｒ
０引言
电容式传感器技术有了很大的发展，它不但广泛应用于机械量的测量，而且还逐步应用于压力、液位、料位等方面的测量¨ｊ。电容式液位传感器利用被测液体与周围气体的介电常数的不同，将液位转化成静电电容来实现液位的测量，它具有动态响应好，环境适应性强，抗干扰能力强，可靠性高等优点。
传统电容式液位传感器，如平行板式、同轴圆柱式等，其电容量与其极板面积和介电常数成正比，用这种电容式传感器测图１传感器结构示意图
量液位高度时，如果要得到较大的可测电容量及大的电容灵敏度，只能增大极板面积或减小极板间距。但增大极板面积使电容体积变大，减小极板间距又使工艺难以保证；当被测介质为黏稠流体时，则难以进入、退出极板之间，使理论可行之方案，在实践中难以实现旧ｊ。
文中设计了一种新型电容式液位传感器，以克服上述缺陷，并使传感器具有灵敏度高、准确度高等特点，这种传感器可大大扩展电容式液位传感器的应用范围。图２内电极绕线安装方式图
１传感器原理与结构１．２每段导线与圆套筒间以空气为介质的电容
１．１传感器结构
根据文献［３］，当传感器电极插入被测液体的深度ｈ＝０传感器由栅状内电极和圆套筒形外电极组成，其结构示意时，每段导线与圆套筒间存在以空气为介质的电容，令：
图如图１所示。栅状内电极作为电容器的中心电极，圆套筒形，
外电极为电容器的另一电极。栅状内电极由一根包有绝缘层ｒ２—万一
Ｄ２一Ｄ：一ｅ２
（１）
的导线绕为６段与圆套筒同心安装，其绕线安装方式如图２所示。外电极为金属软管，金属软管末端开有数个小孔以方便介【也２—■广
１
Ｄ２一研＋ｅ２
得到其电容量为
质的流动。内外电极各通过一根导线与外部电路相连接。
＞
收稿１３期：２０１０—０６—１０收修改稿１３期：２０１０—１２—１０
ｃ＝柰Ｉｎ。一（１
Ｋ篙／Ｋ２）
㈣¨７
万方数据
１０
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｍａｒ．２０１ｌ
牛译
（３）
如：笙丛Ｄ至
（４）
式中：Ｄ为圆套筒内径；Ｄ１为导线外径；ｅ为导线与圆套筒的中心距；乳为真空介电常数；日为传感器电极高度。
在Ｄ》Ｄ。且Ｄ》ｅ的条件下，可得：
髫。一茗：一∥Ｆ可＝石Ｆ矿
（５）
将式（５）带入式（２）可以得到：
ｃｍ器
㈣
如图２所示，传感器结构满足Ｄ》Ｄ。且Ｄ》ｅ的条件，所以文中采用式（６）来计算每段导线与圆套筒间以空气为介质的电容。
１．３传感器原理
传感器等效电路图如图３所示。
液面
｜
圈３传感器等效电路图
Ｃ．，一ｃ６。分别代表每段导线液面以上以空气为介质的电容，它们数值相等，其值为
ｃ。。…．＝ｃ６。＝２丽＋ｒｓｏ（Ｈ－ｈ）
（７）
ｃ。２一Ｃ配分别代表每段导线液面以上以绝缘层为介质的电容，它们数值相等，其值为
ｃ萨…咆＝等糍岩
（８）
式中：ｄ为导线线芯直径；“为导线绝缘层的相对介电常数。
Ｃ川一Ｃ稍。分别代表每段导线液面以下以被测液体为介质
的电容，它们数值相等，其值为
‰一一ｃ扩蒜黠
‘９’
式中占以为被测液体的相对介电常数。
ｃｍ—ｃ诎分别代表每段导线液面以下以绝缘层为介质的电容，它们数值相等，其值为
ｃｍ一一“峨＝器岩
（１０）
根据等效电路图可知，ｃ¨与Ｃ。：是串联关系，ｃ２，与ｃ２：…ｃ６。与Ｃ６：、Ｃ，。与Ｃ，１２．・・ｃｗ６。与ｃ斑也是串联关系，以上两两串联
电路之间相互并联，故得总电容为
万方数据
ｃ，＝丽ＣｌｌＣｉ２≯．．＋蕊Ｃ６１Ｃ６２＋导笔”・＋丽Ｃｗ６１Ｃｗ．１６２
嘲撬嘲导急
㈩，
式中Ｃ。为被测电容。
将式（７）、式（８）、式（９）、式（１０）代入式（１１）可得：
ｈ—
ｃ。＝—ＥｒｌＩｎ（盎１）＋
Ｄ／Ｄ‰ｌｎ（１
Ｄ／）’
ｄ＋
１２１Ｔ８２，ｌ（ｓ１２—１）占。１ｎ（Ｄ／Ｄ１）
（１２）
，
（幻－ｎ等＋－ｎ詈）（“，ｎ百Ｄ＋８ａＩｎ了Ｄ）
式（１２）中，等号右侧第一项可看作初始电容Ｃｏ；第二项可认为是灵敏度Ｋ与ｈ的乘积，则式（１２）可改写为
Ｃ，：ｃｏ＋Ｋｈ
（１３）
对于确定的介质而言，ｃ０与Ｋ均为常数，由此可见，电容式传感器插入被测液体的深度ｈ与Ｃ，被测电容成良好线性关系。
２测量系统基本结构
测量系统基本结构如图４所示。
图４测量系统结构图
相容式变换器由振荡器、第一谐振回路、第二谐振回路和
鉴相器组成。振荡器产生１００ｋＨｚ高频信号，分别送至第一和第二谐振回路。第一谐振回路的输出信号直接送入鉴相器作为参考相位基准，第二谐振回路的输出信号送至传感器电极用
于反映液位的变化。当液体未接触到传感器电极时，第二谐振回路处于自然谐振状态，其相位与第一谐振回路相位一致。当液位上升时，由于电容容值产生变化破坏了第二谐振回路的谐振，电压相位产生突变。此突变电压送到鉴相器另一端并与第
一谐振回路参考相位作比较。鉴相器输出电平与输入信号电压相位变化成比例变化。鉴相器输出信号送入ＡＤＣ０８０８进行Ａ／Ｄ转换。Ａ／Ｄ转换将原鉴相器输出的模拟电压信号转换为数字量，转换得到的数字量送ＡＴ８９Ｃ５２单片机处理，并最终由ＬＣＤ显示当前的水位值。
３实验结果与分析３．１实验结果及误差分析
根据实际工程项目的需要，用０．５ｍｍ镍线芯、外敷尼龙、最大外径１．２ｍｍ的导线制成栅状电极作为传感器的内电极；以内径５０ｍｍ、外径５７ｍｍ的不锈钢软管作为传感器外电极；
传感器电极高度为１．２２ｍ．取导线绝缘层（尼龙）的相对介电常数８。＝３．４，被测液体（水）的相对介电常数占正＝８１。经计算可知该传感器的初始电容量为１０１．７ｐＦ；灵敏度为１０１５．５
ｐＦ／
ｍ．实验数据如表１所示。
（下转第２１页）
第３期胡章荣等：基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４７的高精度压力变送器数显仪表
２１
式中ｋ的实际意义即是仪表的零点采样值ＡＤ。．
量程校准过程中，采样存储当时的环境温度％，校准完成以后即得到采样码与电压值换算系数‰，即可知ＡＤ与电压的换算公式：
Ｖ：（ＡＤ—ＡＤ。）．ｋ。
（４）
与放大器ＬＭ２２４所使用的４支电阻Ｒ。、尺：、Ｒ，、凡相关。如统一使用１０ｐｐｍ，±ｌ或更高等级的电阻，％。的实测值几乎为０，即已经不需要进行温度补偿了；而当电阻的温度系数不一致或者有所偏差时，ｋ．的意义则可显现。实验中，随机选取了一些电阻，测得ｋ．的值达到０．１７２８，按该模型补偿后与补偿前做比较，效果相当明显。通过实验测定，经该算法补偿后，仪表的工作环境温度在一２０～８０℃变化，示值变化最大仅３ｍＶ，检定温漂系数远低于２０ｐｐｍ的预定值。
当仪表正常工作时，每间隔一段时间采样一次当前温度并与与校准时温度％比较得差值ＡＴ，那么当前的真实信号电压的计算公式可以表示为
／
！
、
４结束语
∞’
通过算法补偿，仪表的温度漂移系数大大降低，使用该仪表配合压力变送器工作，变送器输出的高质鼍信号完全不会受到显示表干扰。仪表的输入阻抗为２ＭＱ以上，对测量信号几乎不产生影响，因此可以作为通用的电压表使用。对于电流型的压力变送器，可在前级并联线绕精密电阻作为取样电阻，转换为电压信号进行测量。通过大量的测试工作以及长期的试用结果和用户反馈表明，仪表的精度和稳定性等均达到了预期要求。参考文献：
［Ｉ］张建军，李颀，丁明东，等．基于ＭＳＰ４３０单片机的高精度压力变送
器．仪表技术与传感器，２０１０（１）：３２—３５．［２３
ＧＢ／Ｔ２２２６４．２—２００８安装式数字显示电测量仪表第２部分：电
Ｖ＝（ＡＤ－ＡＤｏ）’【‰１＿上＋ｋｌＡＴＪ
其中，．ｊ｝．作为仪表本身的性能参数，在出厂前标定。上面的公式成功补偿掉了温度影响带来的误差并且避免ｒ从电压转换到绝对温度过程中引入的误差，从温度传感器的电压变化直接转换至温度值的变化，然后再对系统校准时的Ｋ进行修正，从而得到真实的信号电压值。图１１为在主程序中嵌入补偿算法的流程图。
流表和电压表的特殊要求．［３］
孔祥伟．周杏鹏．基于ＨＡＲＴ协议的智能压力变送器的设计与实现．仪表技术与传感器，２０１０（２）：１５—１７．
［４］马月辉，严世强．智能仪表自凋零．自动化仪器仪表，２００１（１）：５５
—５７．
图１１温度补偿算法
作者简介：胡章荣（１９８６一），硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统
应用开发。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｚｒ６９３＠１６３．ｔｏｍ
通过进一步理论分析以及实验结果验证，ｋ，的值实际上只
（上接第１０页）
表１实验数据表（２５℃时）
地流动。４结束语
文中提出的新型栅状电容式液位传感器，既克服了传统电容式液位传感器因工艺局限、被测介质流动性等原因而牺牲传感器灵敏度的缺点又具有灵敏度高、实用性强、准确度高等优点，在实际工程中有一定的推广价值。使用时应注意：传感器电极高度与被测液位高度变化有关；传感器必须固定在液池中，才能保证测量的准确性。参考文献：
实验数据产生误差的主要原因是由于传感器和测量电路本身存在一定的误差，但从表１可知，误差小于０．５％，可以满足实际工程的需要。
３．２与传统同轴圆柱状电容式液位传感器对比
在上述条件下，新型栅状电容式液位传感的内电极仅占整个传感器内部空间体积的０．３５％，其灵敏度为１
０１５．５ｐＦ／ｍ．
［１］马世勇．射频电容式传感器的研究与应用．仪表技术与传感器，
２００１（２）：４３—４５．
［２］丁力．平面栅状电容器原理及应用．陕西工学院学报．１９９４．１０（２）：７０—７２．
［３］刘栓江．单芯偏心电缆单位长度电容的计算．大学物理，２００３，２２（８）：１７—１８；３０．
［４］陈平．沙训，罗晶．射频导纳电容式物位测量仪的研究．仪表技术与传感器，２００６（７）：１９—２０．
在同样的条件下，传统同轴圆柱状电容式液位传感器的灵敏度的仅为１７２．３ｐＦ／ｍ，远小于新型栅状电容式液位传感器的数值。
由此可见，新型栅状电容式液位传感器大大提升了传感器的灵敏度并扩大了传感器内部的空间，使被测介质能更为顺利
［５］黄正华．电容式传感器敏感探头．仪表技术与传感器，１９９６（５）：１５
一１６．
作者简介：高超（１９８６一），硕士研究生．主要研究方向为动力装置电子
控制技术、工业自动化仪表技术。Ｅ—ｍａｉｌ：ｒａｉｎｂｏｗｃｊ＠１２６．ｔｏｍ
万方数据
新型栅状电容式液位传感器原理及应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
高超， 王俊雄， GAO Chao， WANG Jun-xiong
上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200030仪表技术与传感器
INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR2011(3)
参考文献(5条)
1.马世勇 射频电容式传感器的研究与应用[期刊论文]-仪表技术与传感器 2001(02)2.丁力 平面栅状电容器原理及应用 1994(02)
3.刘栓江 单芯偏心电缆单位长度电容的计算[期刊论文]-大学物理 2003(08)
4.陈平;沙训;罗晶 射频导纳电容式物位测量仪的研究[期刊论文]-仪表技术与传感器 2006(07)5.黄正华 电容式传感器敏感探头 1996(05)
本文读者也读过(3条)
1. 甄伟民.ZENG Wei-min 新型列车轴端测速传感器的原理及应用[期刊论文]-企业技术开发（学术版）2007,26(9)2. 白强.夏善红.陈绍凤.裴强.龚超 新型旋片式空中电场传感器及应用[期刊论文]-电子与信息学报2004,26(4)3. 杨绍文 利用CDC新技术的高精度自动安平扫平仪设计[期刊论文]-科技信息2010(10)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ybjsycgq201103004.aspx
２０１１焦仪表技术与传感器
２０“第３期
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ａｎｄ
Ｓｅｎｓｏｒ
Ｎｏ．３
新型栅状电容式液位传感器原理及应用
高超，王俊雄
（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海２０００３０）
摘要：针对传统电容式液位传感器在不改变体积的条件下只能通过减小电极间距采提高灵敏度的不足，设计了新型栅状电容式液位传感器。它采用栅状电极代替圆柱状电极，扩大了电极间空间，使被测介质的流动更为顺利并且提高了传感器的灵敏度，降低了工艺要求。给出了该传感器的实验数据，得到了比较满意的结果。关键词：栅状电容；电容式液位测量；电容式传感器中图分类号：ＴＨ８１６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０３—０００９—０２
ＰｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＮｅｗＰａｌｉｓａｄｅＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＬｅｖｅｌＳｅｎｓｏｒ
ＧＡＯ
Ｃｈａｏ，ＷＡＮＧＪｕｎ．ｘｉｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆＮａｖＭＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＯｃｅａｎ＆Ｃｉｖｉｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｎｇｎｅｄｔｈｅｎｅｗ
ｐａｌｉｓａｄｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ．ｉｎｏｒｄｅｒｔｏ
ｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｏｒｄｉｎａｒｙｃａｐａｃ—
ｉｔａｎｃｅｌｅｖｅｌ
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ｌｉｍｉｔｅｄ．Ｉｔｕｓｅｄｔｈｅｐａｌｉｓａｄｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｉｎｓｔｅａｄｏｆｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｗｈｉｃｈＣａｎ
ｅｘｐａｎｄｔｈｅｓｐａｃｅ
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ｐｍｖｅｔｈｅｆｌｏｗｏｆｐｒｏｃｅｓｓｆｌｕｉｄ
ｍｅｄｕｓａ，ｉｎｃｒｅａｓｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｐｒｏｃｅｓｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｔｈｅ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｌｉｓａｄｅｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｌｅｖｅｌ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ
ｓｅｎｓｏｒ
０引言
电容式传感器技术有了很大的发展，它不但广泛应用于机械量的测量，而且还逐步应用于压力、液位、料位等方面的测量¨ｊ。电容式液位传感器利用被测液体与周围气体的介电常数的不同，将液位转化成静电电容来实现液位的测量，它具有动态响应好，环境适应性强，抗干扰能力强，可靠性高等优点。
传统电容式液位传感器，如平行板式、同轴圆柱式等，其电容量与其极板面积和介电常数成正比，用这种电容式传感器测图１传感器结构示意图
量液位高度时，如果要得到较大的可测电容量及大的电容灵敏度，只能增大极板面积或减小极板间距。但增大极板面积使电容体积变大，减小极板间距又使工艺难以保证；当被测介质为黏稠流体时，则难以进入、退出极板之间，使理论可行之方案，在实践中难以实现旧ｊ。
文中设计了一种新型电容式液位传感器，以克服上述缺陷，并使传感器具有灵敏度高、准确度高等特点，这种传感器可大大扩展电容式液位传感器的应用范围。图２内电极绕线安装方式图
１传感器原理与结构１．２每段导线与圆套筒间以空气为介质的电容
１．１传感器结构
根据文献［３］，当传感器电极插入被测液体的深度ｈ＝０传感器由栅状内电极和圆套筒形外电极组成，其结构示意时，每段导线与圆套筒间存在以空气为介质的电容，令：
图如图１所示。栅状内电极作为电容器的中心电极，圆套筒形，
外电极为电容器的另一电极。栅状内电极由一根包有绝缘层ｒ２—万一
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（１）
的导线绕为６段与圆套筒同心安装，其绕线安装方式如图２所示。外电极为金属软管，金属软管末端开有数个小孔以方便介【也２—■广
１
Ｄ２一研＋ｅ２
得到其电容量为
质的流动。内外电极各通过一根导线与外部电路相连接。
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收稿１３期：２０１０—０６—１０收修改稿１３期：２０１０—１２—１０
ｃ＝柰Ｉｎ。一（１
Ｋ篙／Ｋ２）
㈣¨７
万方数据
１０
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｍａｒ．２０１ｌ
牛译
（３）
如：笙丛Ｄ至
（４）
式中：Ｄ为圆套筒内径；Ｄ１为导线外径；ｅ为导线与圆套筒的中心距；乳为真空介电常数；日为传感器电极高度。
在Ｄ》Ｄ。且Ｄ》ｅ的条件下，可得：
髫。一茗：一∥Ｆ可＝石Ｆ矿
（５）
将式（５）带入式（２）可以得到：
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㈣
如图２所示，传感器结构满足Ｄ》Ｄ。且Ｄ》ｅ的条件，所以文中采用式（６）来计算每段导线与圆套筒间以空气为介质的电容。
１．３传感器原理
传感器等效电路图如图３所示。
液面
｜
圈３传感器等效电路图
Ｃ．，一ｃ６。分别代表每段导线液面以上以空气为介质的电容，它们数值相等，其值为
ｃ。。…．＝ｃ６。＝２丽＋ｒｓｏ（Ｈ－ｈ）
（７）
ｃ。２一Ｃ配分别代表每段导线液面以上以绝缘层为介质的电容，它们数值相等，其值为
ｃ萨…咆＝等糍岩
（８）
式中：ｄ为导线线芯直径；“为导线绝缘层的相对介电常数。
Ｃ川一Ｃ稍。分别代表每段导线液面以下以被测液体为介质
的电容，它们数值相等，其值为
‰一一ｃ扩蒜黠
‘９’
式中占以为被测液体的相对介电常数。
ｃｍ—ｃ诎分别代表每段导线液面以下以绝缘层为介质的电容，它们数值相等，其值为
ｃｍ一一“峨＝器岩
（１０）
根据等效电路图可知，ｃ¨与Ｃ。：是串联关系，ｃ２，与ｃ２：…ｃ６。与Ｃ６：、Ｃ，。与Ｃ，１２．・・ｃｗ６。与ｃ斑也是串联关系，以上两两串联
电路之间相互并联，故得总电容为
万方数据
ｃ，＝丽ＣｌｌＣｉ２≯．．＋蕊Ｃ６１Ｃ６２＋导笔”・＋丽Ｃｗ６１Ｃｗ．１６２
嘲撬嘲导急
㈩，
式中Ｃ。为被测电容。
将式（７）、式（８）、式（９）、式（１０）代入式（１１）可得：
ｈ—
ｃ。＝—ＥｒｌＩｎ（盎１）＋
Ｄ／Ｄ‰ｌｎ（１
Ｄ／）’
ｄ＋
１２１Ｔ８２，ｌ（ｓ１２—１）占。１ｎ（Ｄ／Ｄ１）
（１２）
，
（幻－ｎ等＋－ｎ詈）（“，ｎ百Ｄ＋８ａＩｎ了Ｄ）
式（１２）中，等号右侧第一项可看作初始电容Ｃｏ；第二项可认为是灵敏度Ｋ与ｈ的乘积，则式（１２）可改写为
Ｃ，：ｃｏ＋Ｋｈ
（１３）
对于确定的介质而言，ｃ０与Ｋ均为常数，由此可见，电容式传感器插入被测液体的深度ｈ与Ｃ，被测电容成良好线性关系。
２测量系统基本结构
测量系统基本结构如图４所示。
图４测量系统结构图
相容式变换器由振荡器、第一谐振回路、第二谐振回路和
鉴相器组成。振荡器产生１００ｋＨｚ高频信号，分别送至第一和第二谐振回路。第一谐振回路的输出信号直接送入鉴相器作为参考相位基准，第二谐振回路的输出信号送至传感器电极用
于反映液位的变化。当液体未接触到传感器电极时，第二谐振回路处于自然谐振状态，其相位与第一谐振回路相位一致。当液位上升时，由于电容容值产生变化破坏了第二谐振回路的谐振，电压相位产生突变。此突变电压送到鉴相器另一端并与第
一谐振回路参考相位作比较。鉴相器输出电平与输入信号电压相位变化成比例变化。鉴相器输出信号送入ＡＤＣ０８０８进行Ａ／Ｄ转换。Ａ／Ｄ转换将原鉴相器输出的模拟电压信号转换为数字量，转换得到的数字量送ＡＴ８９Ｃ５２单片机处理，并最终由ＬＣＤ显示当前的水位值。
３实验结果与分析３．１实验结果及误差分析
根据实际工程项目的需要，用０．５ｍｍ镍线芯、外敷尼龙、最大外径１．２ｍｍ的导线制成栅状电极作为传感器的内电极；以内径５０ｍｍ、外径５７ｍｍ的不锈钢软管作为传感器外电极；
传感器电极高度为１．２２ｍ．取导线绝缘层（尼龙）的相对介电常数８。＝３．４，被测液体（水）的相对介电常数占正＝８１。经计算可知该传感器的初始电容量为１０１．７ｐＦ；灵敏度为１０１５．５
ｐＦ／
ｍ．实验数据如表１所示。
（下转第２１页）
第３期胡章荣等：基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４７的高精度压力变送器数显仪表
２１
式中ｋ的实际意义即是仪表的零点采样值ＡＤ。．
量程校准过程中，采样存储当时的环境温度％，校准完成以后即得到采样码与电压值换算系数‰，即可知ＡＤ与电压的换算公式：
Ｖ：（ＡＤ—ＡＤ。）．ｋ。
（４）
与放大器ＬＭ２２４所使用的４支电阻Ｒ。、尺：、Ｒ，、凡相关。如统一使用１０ｐｐｍ，±ｌ或更高等级的电阻，％。的实测值几乎为０，即已经不需要进行温度补偿了；而当电阻的温度系数不一致或者有所偏差时，ｋ．的意义则可显现。实验中，随机选取了一些电阻，测得ｋ．的值达到０．１７２８，按该模型补偿后与补偿前做比较，效果相当明显。通过实验测定，经该算法补偿后，仪表的工作环境温度在一２０～８０℃变化，示值变化最大仅３ｍＶ，检定温漂系数远低于２０ｐｐｍ的预定值。
当仪表正常工作时，每间隔一段时间采样一次当前温度并与与校准时温度％比较得差值ＡＴ，那么当前的真实信号电压的计算公式可以表示为
／
！
、
４结束语
∞’
通过算法补偿，仪表的温度漂移系数大大降低，使用该仪表配合压力变送器工作，变送器输出的高质鼍信号完全不会受到显示表干扰。仪表的输入阻抗为２ＭＱ以上，对测量信号几乎不产生影响，因此可以作为通用的电压表使用。对于电流型的压力变送器，可在前级并联线绕精密电阻作为取样电阻，转换为电压信号进行测量。通过大量的测试工作以及长期的试用结果和用户反馈表明，仪表的精度和稳定性等均达到了预期要求。参考文献：
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器．仪表技术与传感器，２０１０（１）：３２—３５．［２３
ＧＢ／Ｔ２２２６４．２—２００８安装式数字显示电测量仪表第２部分：电
Ｖ＝（ＡＤ－ＡＤｏ）’【‰１＿上＋ｋｌＡＴＪ
其中，．ｊ｝．作为仪表本身的性能参数，在出厂前标定。上面的公式成功补偿掉了温度影响带来的误差并且避免ｒ从电压转换到绝对温度过程中引入的误差，从温度传感器的电压变化直接转换至温度值的变化，然后再对系统校准时的Ｋ进行修正，从而得到真实的信号电压值。图１１为在主程序中嵌入补偿算法的流程图。
流表和电压表的特殊要求．［３］
孔祥伟．周杏鹏．基于ＨＡＲＴ协议的智能压力变送器的设计与实现．仪表技术与传感器，２０１０（２）：１５—１７．
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—５７．
图１１温度补偿算法
作者简介：胡章荣（１９８６一），硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统
应用开发。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｚｒ６９３＠１６３．ｔｏｍ
通过进一步理论分析以及实验结果验证，ｋ，的值实际上只
（上接第１０页）
表１实验数据表（２５℃时）
地流动。４结束语
文中提出的新型栅状电容式液位传感器，既克服了传统电容式液位传感器因工艺局限、被测介质流动性等原因而牺牲传感器灵敏度的缺点又具有灵敏度高、实用性强、准确度高等优点，在实际工程中有一定的推广价值。使用时应注意：传感器电极高度与被测液位高度变化有关；传感器必须固定在液池中，才能保证测量的准确性。参考文献：
实验数据产生误差的主要原因是由于传感器和测量电路本身存在一定的误差，但从表１可知，误差小于０．５％，可以满足实际工程的需要。
３．２与传统同轴圆柱状电容式液位传感器对比
在上述条件下，新型栅状电容式液位传感的内电极仅占整个传感器内部空间体积的０．３５％，其灵敏度为１
０１５．５ｐＦ／ｍ．
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在同样的条件下，传统同轴圆柱状电容式液位传感器的灵敏度的仅为１７２．３ｐＦ／ｍ，远小于新型栅状电容式液位传感器的数值。
由此可见，新型栅状电容式液位传感器大大提升了传感器的灵敏度并扩大了传感器内部的空间，使被测介质能更为顺利
［５］黄正华．电容式传感器敏感探头．仪表技术与传感器，１９９６（５）：１５
一１６．
作者简介：高超（１９８６一），硕士研究生．主要研究方向为动力装置电子
控制技术、工业自动化仪表技术。Ｅ—ｍａｉｌ：ｒａｉｎｂｏｗｃｊ＠１２６．ｔｏｍ
万方数据
新型栅状电容式液位传感器原理及应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
高超， 王俊雄， GAO Chao， WANG Jun-xiong
上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200030仪表技术与传感器
INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR2011(3)
参考文献(5条)
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